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作
者：
陈涛，高明旭，丁利伟，孙蕾
第一作者单位：
北京市煤气热力工程设计院有限公司
摘自《煤气与热力》2022年11月刊
陈涛，高明旭，丁利伟，
等
.
直埋热水管道锚固段局部屈曲有限元分析
［J］.
煤气与热力，
2022，42（11）
：A12-A15.
1
概述
直埋
热水管道
无补偿冷安装的应用已有近
40
年时间，随着供热技术发展，大管径、长距离热网越来越多，安全性要求也相应提高，管道局部屈曲问题也引起关注
［
1
］
。
直埋热水管道外护层、保温层、工作管三位一体，外护层直接与土壤接触，土壤对管道起到各向支撑作用
［
2
］
，工作管不会因自重产生弯曲应力，工作管应力主要为压力荷载产生的环向应力和温度荷载产生的轴向应力。在温度荷载作用下管道发生热膨胀，由于管道与土壤间的摩擦作用，管道热伸长受到阻碍，部分管段无热伸长形成锚固段，因此锚固段内存在较高的轴向压应力。大管径直埋
热水管道
径厚比大，锚固段在温度荷载引起的轴向压应力作用下可能发生局部屈曲。
对于管道局部屈曲的验算，
CJJ/T
81
—
2013
《城镇供热直埋热水管道技术规程》第
5.4.2
条给出了公式。本文采用有限元分析方法，针对直埋
热水管道
锚固段理想模型（无初始缺陷）、非理想模型（存在初始缺陷——不圆度）进行局部屈曲有限元分析，验证根据
CJJ/T 81
—
2013
局部稳定性验算式得到的工作管实际壁厚的安全性。本文采用
ANSYS 2022R1
软件进行有限元分析。
2
工作管实际壁厚
表
1 DN 500~1 400 mm
工作管实际壁厚
理想模型简化了模型条件，与非理想模型的主要区别是不考虑工作管初始缺陷。锚固段在温度变化时不产生热伸长，在进行局部屈曲有限元分析时，截取锚固段一部分作为模型，截取长度为
20d
o
。由于主要讨论锚固段局部屈曲问题，因此将模拟对象进行简化，仅考虑工作管，不考虑外护层、保温层。管段两端的约束形式简化为固定点，对管子整体施加温差荷载，忽略土壤、车辆荷载的影响，模型采用壳单元。理想模型见图
1
。
采用有限元软件计算得到实际临界屈曲温差（当管子发生屈曲时温度与管道计算安装温度的差），将理想模型实际临界屈曲温差与管道最大工作温差之比定义为理想模型实际临界屈曲安全系数。对于理想模型，理论临界屈曲安全系数、实际临界屈曲安全系数见表
2
。由表
2
可知，对于理想模型，实际临界屈曲安全系数与理论临界屈曲安全系数的相对误差绝对值小于
6.5%
。这说明，有限元分析得到的实际临界屈曲温差与理论临界屈曲温差基本吻合。
表
2
理想模型理论临界屈曲安全系数、实际临界屈曲安全系数
与理想模型相比，非理想模型考虑工作管的初始缺陷。在制造、施工环节，工作管易产生不圆度、壁厚偏差、焊接对口定位偏差及管道径向变形等缺陷
［
4
］
。由于不圆度对临界屈曲温差的影响最大，因此本文仅将不圆度作为工作管的初始缺陷。
截取锚固段一部分作为非理想模型，截取长度仍为
20d
o
。仅考虑工作管，不考虑外护层、保温层。管段两端的约束形式简化为固定点，管道整体施加温差荷载，忽略土壤、车辆荷载的影响，模型采用壳单元。为便于建立模型，在管段中间设置缺陷，非理想模型缺陷部位横截面见图
2
。轴向影响范围为
0.25d
o
，缺陷部位轴向影响范围见图
3
。
采用有限元软件计算得到实际临界屈曲温差，将非理想模型实际临界屈曲温差与管道最大工作温差之比定义为非理想模型实际临界屈曲安全系数。非理想模型实际临界屈曲安全系数见表
3
。由表
2
、
3
可知，与理想模型相比，非理想模型实际临界屈曲安全系数降低了
33%~41%
。由此可见，直埋热水管道锚固段属于缺陷敏感性结构，初始缺陷对工作管发生屈曲风险的影响比较大。
对于圆筒壳结构在轴向受压工况下的失稳，
ASME BPVC VIII.2-2015
《美国锅炉及应力容器规范－应力分析设计篇》给出的圆筒壳结构安全判定条件是临界屈曲安全系数应大于许用设计荷载系数。
①直埋热水管道锚固段属于缺陷敏感性结构，初始缺陷对工作管发生屈曲风险的影响比较大。
②按
CJJ/T 81
—
2013
局部稳定性验算式得到的工作管实际壁厚有足够的安全余量。
［
1
］任鹏召
.
大管径直埋供热管道受力与稳定性分析（博士学位论文）［
D
］
.
北京：北京科技大学，
2019
：
29-59.
［
2
］王雪梅
.
大口径直埋热水管道的设计实践与经验［
J
］
.
科技信息，
2012
（
16
）：
377-378.
［
3
］
BARRON R F
，
BARRON B R. Design for Thermal Stresses
［
M
］
. New York
：
John Wiley & Sons. Inc.
，
2011
：
447-452.
［
4
］臧炯杰
.
大直径直埋热力管道局部稳定性的有限元分析（硕士学位论文）［
D
］
.
天津：天津大学，
2017
：
55-62.
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