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直埋管道的安全性取决于管道的应力。管道中的应力可分为:
一次应力:管道在内压和管道自重产生的应力;
二次应力:由于热胀冷缩变形不能释放而产生的周向温差应力;
峰值应力:直管向结构不连续的管件释放变形,在该管件上产生的应力。
由于存在土壤支撑可以看作是连续不断的支架,管道自重产生的一次应力很小。由于存在土壤的磨擦作用,使管道的热膨胀不能自由释放,在管道中产生了很大的温差二次应力。二次应力的水平远远高于一次应力,直埋管道的安全性主要取决于二次应力。
例 2 :在例 1 中若由于土壤磨擦力的约束,使管道的热膨胀*不能释放,这段管道被称为锚固段,计算内压引起的一次应力 σ1 、温差引起的二次应力 σ2 以及管道的轴向力 Na。
内压引起的一次应力 σ1 :
式中: V :钢管的泊松系数,取 0.3 ;
Pd :管道的计算压力, 1Mpa ;
Di :钢管内径, 0.115m ;
δ:钢管臂厚, 0.0045m ;
计算得: σ1=11Mpa
温差引起的一次应力 σ2 : σ2=Ea(t-t0)
式中: E : 20 号钢弹性模量, 19 × 104Mpa
a : 20 号钢线膨胀系数, 11.2 × 10 -σm /m·℃
t :管道工作温度, 120 ℃
t0 :管道安装温度, 20 ℃
管道的轴向力 Na 为 (σ)
Na= σ2A
=221 × 10σ × 0.0022
=48σ,200N
即管道的轴向力为 48 , σ2t
由计算结果看出,二次应力已经超过了钢材的基本许用应力(σ) =134 Mpa 和钢材的屈服极限σs=21σ Mpa
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