关于直埋供热管道小折角计算问题的说明

一 、不同规范对小折角的定义
 CJJ/T 81-2013规程中当折角在以下角度范围内时,折角在计算时不做特殊考虑,等同于直管道进行计算:

 EN 13941规范中对折角角度的限制:

以如下的设计条件(安装温度10℃,计算温度130℃,管道为OD720x8)为例,我们通过以上的定义可以得出下面的判定:
(1) 此管道系统在CJJ/T 81-2013 规范中认定不大于0.1°的折角为直管道,大于0.1°的折角在计算中需要做特殊考虑(具体措施见后文)。
(2) EN 13941规范中不允许冷安装系统或最大循环温差大于110℃使用小折角连接。我们的范例设计条件不允许使用折角连接。

二 、出现折角后不同的规范处理办法
 CJJ/T 81-2013规范对折角的处理办法:

 EN 13941规范对于折角的计算考虑

通过以上两个规范对折角问题的考虑方法,我们可以得到下面的结论:
(1) CJJ/T 81-2013规范中推荐给设计人员7种参考形式处理折角问题,其中受限于现场空间,当前设计人员主流采用a和b两种处理办法,a适用于不太大角度的折角,当角度大是采用b方法分解成小角度处理。

(2) EN 13941规范中对折角计算考虑时,明确给出了折角直接焊接的应力增大系数计算方法,但是该计算方法在使用之前,规范反复强调必须满足Table C.4的要求。即当采用冷安装时,循环温差110℃的情况下,不允许使用折角。

三 、算例结果对比
1. 对比案例简述
管道规格:720x8mm 计算温度:130℃安装温度:10℃管道顶部埋深:2.1m
总折角:26.4°小折角点:12个小折角:2.2°中间管段长度:12 m
两侧直管段:12+5=17m
本范例为典型的串联小折角布置形式,我们将使用START软件(CJJ/T 81-2013)和sisKMR软件(EN 13941规范)对该假想完全约束段的串联小折角进行计算对比。在计算之前,根据前两节的讨论,可以得知:
 CJJ/T 81-2013规范允许串联小折角连接,即算例2.2°连接处折角采用直接焊接连接。
 EN 13941在冷安装和最大循环温差大于110℃的情况禁止使用直接焊接的折角连接。
所以我们将做出以下计算对比:

 

START模型sisKMR模型

2. 1# START采用短接弯头与sisKMR折角计算结果


通过以上结果可以看出:


(1) START采用折角直接焊接的方式,基于安定性的二次应力评定超标,但应力值均小于375Mpa,由于START使用更为精确的二次应力许用值362.25Mpa=1.5(Sc+Sh)
(2) 由于折角角度很小,短接弯头的应力无明显应力增大现象。
(3) 该计算几乎处于计算通过的临界范围
通过规范的条文说明我们可以看出:

 高循环温差情况下,只有少量的小管道能够通过安定性分析验算,START计算符合该结论
 4.2.6条文说明推荐优先采用弯管,并罗列出相关的优点,在条件不满足的情况下可以用L形和π形补偿,所以我们下面将对比折角处添加弯管的方案。

sisKMR计算结果

sisKMR软件增加折角后,计算结果无许用应力,且提示规范不允许折角计算
2. 2# START与sisKMR均采用弯管(R=309m,弧长12m)计算结果对比

START计算结果

通过以上结果可以看出:
(1) 折角处采用弯管的方式时,START的应力计算结果全部通过,满足基于安定性评定。最大应力为333.54Mpa。且START使用更为精确的安定性许用值362.25Mpa=1.5(Sc+Sh)
(2) START计算结果进一步验证了折角处弯管方案是由于折角直接焊接的,与CJJ/81-2013条文解释相符。

sisKMR计算结果

通过以上结果可以看出:
(1) sisKMR无法计算折角,但是可以计算弯管的应力,弯管应力计算最大值为307.9Mpa,许用应力值达到782.4Mpa,相比安定性验算的3倍许用应力高很多,明显不是安定性校验。

4. 计算对比结论

四 、最后结论

从上面计算过程和结果对比,可以看出:
1. START具有折角斜口焊设计能力,计算结果和CJJ/T 81-2013规范规定的斜接角度限制一致,斜接点二次应力符合CJJ/T81-2013规定的安定性原则。应力判断采用中国标准CJJ81-2013作为判据。
2. sisKMR软件不支持斜口焊接能力,仅能使用大弧管进行折角变化,目前国内sisKMR客户在做折角模型时,都是使用得1.5D弯头做小角度折角,误认为是在使用折角斜口焊接。sisKMR折角点计算二次应力,许用值远远高出CJJ/T81-2013规定的安定性评判条件,采用的是EN13941的评定原则,和EN3941设计规范,不执行中国CJJ81-2013设计规范,不符合国家对设计采用设计标准的规定,是无效分析结果。压力管道设计不同其他管道,GA,GB,GC和GD类压力管道如果不采用国家标准,一旦出现事故,现在设计都是终身负责制,导致的灾难和伤亡,都要追究法律责任。
有关直埋管道折角处的设计:
1. CJJ/T 81-2013规范中推荐给设计人员7种参考形式处理折角问题,其中受限于现场空间,当前设计人员主流采用a和b两种处理办法,a适用于不太大角度的折角,当角度大是采用b方法分解成小角度处理。

2. EN 13941规范中对折角计算考虑时,明确给出了折角直接焊接的应力增大系数计算方法,但是该计算方法在使用之前,规范反复强调必须满足Table C.4的要求。故当采用冷安装时,循环温差110℃的情况下,不允许使用折角。
上面原则必须遵从,如果希望使用折角斜口焊接(折角1-5度),折角附近管道必须如果采用柔性设计方法。如果管道采用无补偿冷安装设计,折角角度必须控制在1度左右,大角度就必须进行多段分解,串联小折角方式设计。不适用折角斜口焊接,就得采用大弯曲半径弧段来进行折角连接。

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