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    球墨鑄鐵管、鋼管等管材的最小壁厚是多少 怎么計算

    來源:晉城市春晨興匯實業有限公司 時間:2016-05-19 09:37:38 瀏覽次數:

       承插接口廣泛應用于國內PCCP,球墨鑄鐵管和玻璃鋼管等輸水管道,近期還出現了將鑄鐵管和玻璃鋼管承插接口移植到鋼管上的應用,除此之外,國內輸水鋼管還沒有適合自己的承插接口。

      其實早在三十年代,美國就在輸水鋼管上開始使用承插接口,五十年代的輸水鋼管卡內基接口就是現在使用在PCCP上的承插接口,美標輸水鋼管的主要接口形式如下:

    美標輸水鋼管的主要接口形式.png

      那么,是否可以在國內將卡內基接口應用到輸水鋼管?答案是肯定的,因為美標輸水鋼管接口形式中就包含這種卡內基接口,并且,這種接口已在國內PCCP管上使用了近二十年,接口承插件在國內也有現成的供貨渠道,有插件型鋼廠和承插鋼圈加工生產設備可以利用。

      但是,實際應用中會碰到一特殊問題(或者說特殊國情)困擾管道設計人員和建設業主,就這個問題下面做進一步分析和解釋。

      問題:大直徑(>DN1200)大壁厚輸水鋼管與卡內基接口焊接,承口最薄處比鋼管壁厚小,國內輸水管道結構設計上能通過嗎?

      由于國內輸水鋼管結構設計的特殊性,鋼管壁厚設計時,除了考慮管道承受內壓,還要考慮足夠的剛度來抵抗外荷載造成的鋼管環向變形,通常設計的徑厚比D/t為100。而國外輸水鋼管壁厚設計只考慮管道內壓,其徑厚比D/t為240,抵抗管環變形主要依靠管側埋置材料的剛度或管側回填土壓實密度。因此,國內輸水鋼管設計的壁厚要比國外厚一倍以上。舉例DN2400輸水鋼管,按照國內現行的設計方法,一般情況下,其設計壁厚為:

      t=D/100-2=2400/100-2=22 mm

      國內PCCP管道設計是從美國引進的(AWWA C301),由于PCCP管屬剛性管道,因此其內襯鋼筒,纏繞的預應力鋼絲和承插鋼環只需能承受內壓即可,由混凝土結構來承受外壓。接口為標準承插件,最薄處ts4為9.5 mm,詳見下圖。

    PCCP管雙密封圈承接插口示意圖.png

      結構上,承插接口最薄處在密封圈溝槽底,此處厚度為8.0 mm,由于管道對接后在此處有重疊(重疊量為W),因此結構計算需考慮承口和插口厚度之和。因此,這種承插結構的薄弱處為插口最小厚度處,并且此處附近也沒有預應力鋼絲加固。

      按照現行國家標準,這種承插接口最大適用口徑為DN4000,已應用到南水北調工程。南水北調中線京石段應急供水工程北京段全長約80 Km,其中惠南莊至大寧段采用2排并行4m直徑預應力鋼筒混凝土管道輸水(工壓0.4~0.8MPa,覆土深度3~10.3m),線路總長56.359 Km,占北京段總干線全長的70%。下面來分析該工程插口最小厚度是否可行。

      輸水鋼管(AWWA標準)壁厚設計如下:

      工作壓力設計(設計安全系數2):

      t =pd/2S=(0.4 x 4000+(260 x 2)) / (2 x (0.5 x 235)) = 7.7 mm

      t =pd/2S=(0.8 x 4000+(260 x 2)) / (2 x (0.5 x 235)) = 15.4 mm

      標準規范中插口最小厚度ts4為9.5 mm(公差+0.3mm,-0.5mm),從以上設計計算可以看出,最小厚度9.0mm不能滿足滿足該工程0.8Mpa的輸水內壓要求。實際該工程將ts4厚度提高到11.2mm,承口鋼圈壁厚為10mm,這個設計依然比輸水鋼管設計的安全系數低。

      按照11.2mm壁厚計算,AWWA標準設計能夠承受的瞬時壓力為:

      瞬時壓力設計(設計安全系數1.33):p = 2tS/d =(11.2 x (2 x 0.75 x 235))/(4000+(260 x 2)) = 0.87MPa

      按照現行國內規范標準,鋼管與卡內基承插接口焊接組成的結構形式如下圖所示。從這個視圖可以看出,鋼管壁厚較厚(DN2400,壁厚為22mm),而卡內基插口最小厚度仍為9.5 mm,對于DN2400的輸水鋼管,9.5mm壁厚可以承受內壓可達0.93MPa的工作壓力,瞬時壓力可達1.4MPa。

    DN2400的輸水鋼管承插鏈接示意圖.png

      下面分析這個輸水鋼管的外壓受力情況。埋地輸水柔型管道主要外壓來著管頂覆土的壓力,上圖所示插口最小厚度區域和承口非重疊區域的寬度約為50mm,根據泊松效應,低剛性區變形時會受到旁邊高剛性區的牽制,相當于薄壁管內等距離添加了支撐。因此,在這個低剛性區域的抗變形能力是沒有問題的。

      從優化承插接口結構的角度來講,希望在承插接口區域剛性低一些,在現場承插對接時,承插管口允許小量變形,有利于插入對接,可以實現管口自對中,使密封圈有均勻一致的壓縮比,從而保證管道接口的止水性能。

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