直埋供热管道新型三通加强结构应力分析

作     者：王云翼 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：雷勇刚;梁鹂

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 081404[工学-供热、供燃气、通风及空调工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：直埋供热管道 新型三通加强结构 数值模拟 应力最大值 应力分布 

摘      要：我国城镇集中供热在减少能源消耗和改善环境的大背景下已有长足的发展,供热管道直埋敷设方式凭借其施工成本低、周期短、使用寿命长、管网维护量小等优点已逐渐成为集中供热管网敷设的首选方式。随着我国城镇区域集中供热的规模不断扩大,管道设计压力与设计温度不断提升,大口径直埋供热管道的广泛应用,对直埋供热管网的安全可靠运行提出更高要求。三通是直埋供热管网中普遍使用的分流部件,由于其结构的不连续性,在供热管网运行时三通相贯区会产生极大的应力集中,这使得三通成为整个直埋供热管网的薄弱环节,对管网的安全运行造成隐患。本论文针对压制三通容易出现应力过大的问题,提出一种新型三通加强结构,旨在从根本上降低压制三通相贯区的应力值,提高供热管网敷设的安全性。首先明晰直埋供热管道所受荷载、应力分类方法、材料强度理论和管道失效形式,指出压制三通主要由于循环塑性变形和低循环疲劳而失效;然后建立新型三通加强结构和普通压制三通结构的数理模型,通过有限元数值模拟对比两种结构的应力最大值和应力分布,探究温度荷载和内压荷载作用下的应力特性;最后采用参数化变量设计,系统研究外套管尺寸参数、肋片参数、荷载参数等对新型三通加强结构应力特性的影响。本论文的主要研究内容和成果如下:（1）对比新型三通加强结构和普通压制三通的应力最大值,发现新型三通加强结构能够有效降低压制三通处的应力最大值,与普通压制三通相比最高可使应力最大值下降52.16%。并且压制三通主管管径越小,支主管管径比越小,应力最大值的降低效果越好。（2）通过分析新型三通加强结构和普通压制三通的应力分布特点,揭示新型三通加强结构对压制三通加强的原理,即利用应力集中的原理,将原先集中在三通腹部的应力聚集到肋片区域,再通过肋片结构将应力传递到外套管上,最后由外套管将应力扩散分布开来,达到降低压制三通处的应力集中程度从而对压制三通进行保护的效果。（3）开展温度荷载和内压荷载分别对新型三通加强结构作用的研究,结果表明:仅施加温度荷载时,应力作用集中在三通腹部区域,且应力最大值占原荷载条件下的90%左右;仅施加内压荷载时,应力作用主要集中在三通肩部区域,且应力最大值占比很小。因此,温度荷载对新型三通加强结构的应力情况起主导作用,而内压荷载是较为次要的因素。（4）新型三通加强结构外套管壁厚的增加可以有效降低压制三通、外套管和肋片的应力最大值。而外套管开孔主管长度的增加不会引起压制三通、外套管和肋片的应力最大值变化,工程中可以尽量减小外套管开孔主管的长度以减少耗材投资。（5）新型三通加强结构肋片宽度的增加可以降低压制三通和外套管的应力最大值,使肋片的应力最大值先减小后增大,并使肋片的应力集中区域发生变化。肋片高度的增加可以降低压制三通、外套管和肋片的应力最大值,并使肋片和外套管的应力集中区域发生变化。肋片角度的增加可以降低外套管和肋片的应力最大值,而对压制三通的应力最大值影响不大,并使压制三通、外套管和肋片的应力集中区域发生变化。（6）温度荷载和内压荷载的增加会使新型三通加强结构各结构的应力最大值基本呈线性增加,而由于两种荷载对新型三通加强结构的作用程度不同,温度荷载的增加会使结构应力最大值明显增加,内压荷载的影响却不明显。