钢套钢直埋蒸汽管道钢质外护管计算方式

1钢质外护管计算方式 概述

    关于带有空气层的保温结构钢套钢直埋蒸汽管道钢质外护管的刚度和稳定性要求，CJJ 104—2005《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》(以下简称《规程》)第6.2.2条指出^[1]：对带空气层的保温结构，钢质外护管的外径与壁厚的比值不应大于100。根据这项要求，在已知钢质外护管(采用螺旋缝钢管)外径的情况下，不难确定其zui小壁厚。如外径为720mm的钢质外护管zui小壁厚为8mm，外径为377mm的钢质外护管zui小壁厚为4mm，外径为2020mm的钢质外护管zui小壁厚为21mm。在上述3个例子中，只有Ф720×8是常用规格，在市场上容易买到。对于Ф377×4、Ф2020×21规格，由于前者壁厚太薄后者太厚，因此在市场上买不到，而且CJ/T3022—1993《城市供热用螺旋缝埋弧焊钢管》中也没有这两种规格。

    我们认为，《规程》要求外径与壁厚的比值不大于100，在实践中出现了一些问题。本文结合理论与实践，对带有空气层的保温结构钢套钢直埋蒸汽管道钢质外护管，给出在满足刚度和稳定性要求条件下的管壁zui小厚度及合理厚度的计算方法。

2 钢质外护管径向变形量计算^[2]

在地下取单位长度钢质外护管，使单位长度管道产生zui大径向变形的zui不利受力情况，为管道上部受到zui大集中荷载。为简化计算，土壤对管道侧面的约束力和管道的自重忽略不计，管沟底假设为刚性。根据计算弹性体定向变形量的莫尔定理旧1，管顶水平变形量△d_s的积分表达式为：

式中△d_s——管顶水平变形量，mm

    R——钢管外半径，mm

    E——钢材的弹性模量，MPa

    δ——钢管壁厚，mm

    F——作用在单位长度管道上的力，N/m

    θ——管壁任意点相对管中垂线的夹角，(°)

    M——管顶上的弯矩，N·mm

    由边界条件△d_s=0得到：

    将式(2)代入管顶径向变形量△d_p(单位为mm)的积分表达式，得到：

    将式(3)进行积分得到：

式中D——钢管外径，mm

    式(4)可写成：

式中K——系数，mm

3 钢质外护管壁厚的确定

《规程》第6.2.3条指出：钢质外护管直径的变形量不得大于钢管外径的3%。因此，由式(5)得：

因此，钢质外护管的壁厚应满足由式(7)。这时，确定钢质外护管zui小壁厚的关键问题在于确定K，但真正有使用价值的K，很难通过试验或理论计算方法确定，但可以从大量的实际工程和实践中得到。例如，大多数人认为外径为529mm的钢质外护管的壁厚可选为6mm，这符合《规程》要求。壁厚选取5.5mm也符合《规程》要求，但多数人认为5.5mm太薄了。因此，在工程中几乎没有人使用Ф529×5.5或更薄的钢质外护管，而选用规格为Ф529×6钢质外护管，且经过*实践证明是安全可靠的。因此，我们认为Ф529×6的规格可作为计算各种外径钢质外护管zui小壁厚的依据。将外径529mm、壁厚6mm代入式(7)，计算得K=2.316×10^-5mm。即得到各种外径钢质外护管zui小壁厚δ_min的计算式：

式中δ_min——钢质外护管zui小壁厚，mm

    约80%的人认为将规格为Ф529×6的钢管作为钢质外护管在工程中应用得不少，到目前为止没有出现问题，已证明是安全可靠的。但从吊装、运输、堆放等环节不易出现变形和方便性考虑，感觉管壁再增厚一点更加合理，认为Ф529×7规格更为合理，并且在工程实践中使用也很多。将外径529mm、壁厚7mm代入式(7)，计算得K=3.677×10^-5mm。即得到各种外径钢质外护管合理壁厚δ_r(单位为mm)的计算式：

    由式(8)、(9)，可计算出不同外径钢质外护管的zui小壁厚与合理壁厚，见表1。

表1 不同外径钢质外护管的zui小壁厚与合理壁厚    mm

    本文计算过程及结果是以钢管满足刚度条件为前提的，而未考虑强度和稳定性。以强度或稳定性验算钢管的zui小壁厚比较简单。在正常覆土深度(小于等于8m)情况下，根据经典板壳稳定性理论^[3]，经验算，表1中的数据能满足强度和稳定性要求，且富余量较大。