CN112883561A - 一种供热管系和供热管系的壁厚设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于供热工程技术领域，公开了一种供热管系和供热管系的壁厚设计方法。本发明的供热管系的壁厚设计方法可降低供热管系的投资成本，包括：步骤一：根据不同的供热管系分别确定供水工作钢管和回水工作钢管的设计参数；步骤二：根据供水工作钢管和回水工作钢管的设计参数分别计算其最小公称壁厚δ；步骤三：对供水工作钢管和回水工作钢管的最小公称壁厚δ分别进行轴向稳定校核和径向稳定校核，以分别获得其轴向稳定壁厚δ₁和径向稳定壁厚δ₂；步骤四：分别选取供水工作钢管中的轴向稳定壁厚δ₁和径向稳定壁厚δ₂的最大值作为其最终设计公称壁厚δ₃；步骤五：对具有最终设计公称壁厚δ₃的供水工作钢管和回水工作钢管分别进行经济性分析。

Description

一种供热管系和供热管系的壁厚设计方法

技术领域

本发明属于供热工程技术领域，具体涉及一种供热管系和供热管系的壁厚设计方法。

背景技术

随着社会的发展，生产和生活水平的不断提高，集中供热的范围也在不断增加，因此供热管道的铺设量也逐年上升。针对供热管道连接形成的供热管系的设计已有较为成熟的参考规范，其中，供热管道包括作为管道主体结构的工作钢管，工作钢管内部流通供热介质，外部承受外界载荷，因此其壁厚的选取至关重要，关系着整个管网工程的经济性和安全性。

现有技术中，通常将供水管道和回水管道的工作钢管选取相同的壁厚，但在供热管系实际运行时，供水的温度高、压力大，回水的温度低、压力小，具有相同壁厚的供水管道和回水管道的工作钢管导致工程投资成本增加，经济性较低。

发明内容

为了降低供热管系的投资成本，提高其经济性，本发明提出了一种供热管系和供热管系的壁厚设计方法。

根据本发明的供热管系的壁厚设计方法，供热管系包括供水管道和回水管道，供水管道包括用于流通供热介质的供水工作钢管，回水管道包括用于流通供热介质的回水工作钢管，供热管系的壁厚设计方法包括：步骤一：根据不同的供热管系分别确定供水工作钢管和回水工作钢管的设计参数；步骤二：根据供水工作钢管和回水工作钢管的设计参数分别计算供水工作钢管和回水工作钢管的最小公称壁厚δ；步骤三：对供水工作钢管和回水工作钢管的最小公称壁厚δ分别进行轴向稳定校核和径向稳定校核，以分别获得供水工作钢管和回水工作钢管的轴向稳定壁厚δ₁和径向稳定壁厚δ₂；步骤四：选取供水工作钢管中的轴向稳定壁厚δ₁和径向稳定壁厚δ₂的最大值作为供水工作钢管的最终设计公称壁厚δ₃，选取回水工作钢管的轴向稳定壁厚δ₁和径向稳定壁厚δ₂的最大值作为回水工作钢管的最终设计公称壁厚δ₃；步骤五：对具有最终设计公称壁厚δ₃的供水工作钢管和回水工作钢管分别进行经济性分析，以分别获取每米具有不同壁厚的供水工作钢管与回水工作钢管的成本之和与每米具有相同壁厚的供水工作钢管与回水工作钢管的成本之和的比值，进而获得节约成本的比例。

进一步地，在步骤一中，设计参数包括供水工作钢管和回水工作钢管的设计压力P_d、外径D₀和公称直径DN。

进一步地，当供水工作钢管和回水工作钢管的公称直径DN小于500mm时，省略步骤三，此时步骤四中选取最小公称壁厚δ作为最终设计公称壁厚δ₃。

进一步地，在步骤二中：最小公称壁厚δ通过以下公式获得：

δ＝δ_m+B

其中，δ_m—工作钢管的最小壁厚，m；

B—工作钢管的壁厚负偏差附加值，m，

其中，B＝χ×δ_m，

χ—壁厚负偏差系数，

最小壁厚δ_m通过以下公式获得：

其中，P_d—工作钢管的设计压力，MPa；

D₀—工作钢管的外径，m；

[σ]—钢材的许用应力，MPa；

η—许用应力修正系数；

Y—温度修正系数。

进一步地，在步骤三中，对最小公称壁厚δ进行轴向稳定校核通过以下公式验算：

其中，D₀—工作钢管的外径，m；

δ—工作钢管的最小公称壁厚，m；

α—钢材的线性膨胀系数，m/m·℃；

E—钢材的弹性模量，MPa；

t₁—工作钢管的工作循环最高温度，℃；

t₀—工作钢管的计算安装温度，℃；

υ—钢材的泊松系数；

P_d—工作钢管的设计压力，MPa，

在最小公称壁厚δ满足该公式时，最小公称壁厚δ与轴向稳定壁厚δ₁的数值相同；在最小公称壁厚δ不满足该公式时，调整最小公称壁厚δ的数值使其满足该公式，满足该公式的最小数值作为轴向稳定壁厚δ₁。

进一步地，在步骤三中，对最小公称壁厚δ进行径向稳定校核由以下公式验算：

其中：ΔX—工作钢管的径向最大变形量，m；

W—管顶单位面积上总垂直荷载，kPa，包括管顶垂直土荷载和地面车辆传递到钢管上的荷载；

D₀—工作钢管的外径，m；

δ—工作钢管的最小公称壁厚，m；

r—工作钢管的平均半径，m；

E—钢材的弹性模量，kPa，

在最小公称壁厚δ满足该公式时，最小公称壁厚δ与径向稳定壁厚δ₂的数值相同；在最小公称壁厚δ不满足该公式时，调整最小公称壁厚δ的数值使其满足该公式，满足该公式的最小数值作为径向稳定壁厚δ₂。

进一步地，在步骤一中，供水工作钢管和回水工作钢管适用于温度小于等于150℃，设计压力小于等于2.5MPa，且公称直径DN小于等于1500mm的情形。

进一步地，在步骤五中：对分别具有最终设计公称壁厚δ₃的供水工作钢管和回水工作钢管的经济性分析通过以下公式计算：

其中，u_δ—每米具有最终设计公称壁厚δ₃的供水工作钢管的价格，元/米；

s_δ—每米具有最终设计公称壁厚δ₃的回水工作钢管的价格，元/米；

u_m—供水工作钢管和回水工作钢管的两者中具有较大最终设计公称壁厚δ₃的工作钢管每米的价格，元/米。

本发明还提出了一种供热管系，包括与供热装置的出口相连的供水管道和与供热装置的入口相连通的回水管道，供水管道包括用于流通供热介质的供水工作钢管，回水管道包括用于流通供热介质的回水工作钢管，其中，回水工作钢管的最终设计公称壁厚δ₃小于供水工作钢管的最终设计公称壁厚δ₃。

进一步地，供水管道还包括：设置在供水工作钢管外的保温层和设置在保温层外的外护管；回水管道还包括设置在回水工作钢管外的保温层和设置在保温层外的外护管。

与现有技术相比，本发明的供热管系的壁厚设计方法突破了原有供回水工作钢管的壁厚厚度一样的传统理念，在计算工作钢管的壁厚时，合理分配供水工作钢管与回水工作钢管的壁厚，使供水工作钢管和回水工作钢管在克服局部屈曲失稳、轴向失稳和径向失稳的条件下，即确保工作管道的安全性的条件下降低工作管道的成本，提高供热管系的经济性。

附图说明

图1为根据本发明实施例的供热管系的壁厚设计方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的供热管系的供水管道的结构示意图，回水管道的结构与该供水管道的结构相同；

图3为图2所示的供水管道的截面示意图。

具体实施方式

为了降低供热管系的投资成本，提高其经济性，本发明提出了一种供热管系和供热管系的壁厚设计方法。

图1示出了根据本发明实施例的供热管系的壁厚设计方法的流程图。其中，供热管系包括供水管道和回水管道，供水管道包括用于流通供热介质的供水工作钢管，回水管道包括用于流通供热介质的回水工作钢管，供热管系的壁厚设计方法包括：步骤一S1：根据不同的供热管系分别确定供水工作钢管和回水工作钢管的设计参数；步骤二S2：根据供水工作钢管和回水工作钢管的设计参数分别计算供水工作钢管和回水工作钢管的最小公称壁厚δ；步骤三S3：对供水工作钢管和回水工作钢管的最小公称壁厚δ分别进行轴向稳定校核和径向稳定校核，以分别获得供水工作钢管和回水工作钢管的轴向稳定壁厚δ₁和径向稳定壁厚δ₂；步骤四S4：选取供水工作钢管中的轴向稳定壁厚δ₁和径向稳定壁厚δ₂的最大值作为供水工作钢管的最终设计公称壁厚δ₃，选取回水工作钢管的轴向稳定壁厚δ₁和径向稳定壁厚δ₂的最大值作为回水工作钢管的最终设计公称壁厚δ₃；步骤五S5：对具有最终设计公称壁厚δ₃的供水工作钢管和回水工作钢管分别进行经济性分析，以分别获取每米具有不同壁厚的供水工作钢管与回水工作钢管的成本之和与每米具有相同壁厚的供水工作钢管与回水工作钢管的成本之和的比值，进而获得节约成本的比例。根据本实施例的供热管系的壁厚设计方法，供水工作钢管和回水工作钢管可适用于温度小于等于150℃，设计压力小于等于2.5MPa，公称直径DN可小于等于1500mm的情形。一般的城镇供热管系的温度、设计压力以及公称直径参数均在以上参数范围内，因此本发明实施例的供热管系的壁厚设计方法可更广泛地应用。这里所说的“公称直径DN”是管道元件专用的一个最关键的参数。ISO6708—1995和GB/T1047—2005“管道元件DN的定义和选用”中明确规定，采用公称直径DN作为管道元件的尺寸标识。它是指容器、管道及其附件的标准化直径系列，对于管道，则用小于外径并大于内径的某个尺寸表示，针对管道的某一公称直径，其外径是一定值，内径随壁厚而变化。

步骤一S1中，在进行供水工作管道和回水工作管道的壁厚设计时，需要根据不同的供热管系分别确定供水工作钢管和回水工作钢管的设计参数。该设计参数可包括供水工作钢管和回水工作钢管的设计压力P_d、外径D₀和公称直径DN。该设计压力P_d、外径D₀和公称直径DN可根据流通介质的最大流量、温度、内压等参数确定。对于不同的供热管系，该设计参数是可以根据相关规范确定的已知量。需要说明的是，这里所说的“设计压力P_d”应不低于正常操作时，由流通介质产生的内压或外部载荷产生的外压与温度构成的最苛刻条件(这里所说的“最苛刻条件”是指导致管道及管道组成件最大壁厚或最高公称压力等级的条件)下的压力。在确定设计压力P_d时需要考虑工作钢管内流通介质的静液柱压力等因素的影响，设计压力P_d一般应略高于由外部载荷产生的外压与温度构成的最苛刻条件下的最高工作压力。

在步骤一S1中，还可结合上述的设计参数和供水工作钢管和回水工作钢管的埋设深度等参数和安装规范等规定确定供水工作钢管和回水工作钢管使用何种型号的钢材材料。

步骤二S2中，由于供热管系在实际使用中，其供水工作钢管和回水工作钢管埋设在地下，主要承受工作钢管内供热介质的内压压力、土壤(包括车荷载)横向外压和温差轴向力，供水工作钢管和回水工作钢管的力学模型均可简化为薄壁长圆柱壳或长圆筒。根据经典的板壳稳定性理论，圆筒在横向压力或轴向压力作用下均可能产生局部屈曲，因此为避免供水工作钢管和回水工作钢管在实际使用过程中在流通介质内压作用下(这里的内压既包括横向压力和轴向压力)产生局部屈曲，或者即使产生局部屈曲也能够保证供水工作钢管和回水工作钢管的安全，需要结合上述的设计参数计算供水工作钢管和回水工作钢管即不产生局部屈曲失稳的条件下的最小公称壁厚δ。

在步骤三S3中，一方面，当供水工作钢管和回水工作钢管轴向受压达到某极限值时，会丧失稳定性，此时供水工作钢管和回水工作钢管虽然仍具有环形的圆截面，但是工作钢管的母线的直线性被破坏，产生轴向屈曲。因此为避免供水工作钢管和回水工作钢管在实际使用过程中产生轴向屈曲，或者即使产生轴向屈曲也能够保证供水工作钢管和回水工作钢管的安全，需要对上述计算出的最小公称壁厚δ进行轴向稳定校核，以获得供水工作钢管和回水工作钢管的轴向稳定壁厚δ₁。

在步骤三S3中，另一方面，由于供水工作钢管和回水工作钢管在受到横向外压作用后，在管壁内将产生环向压缩应力，这种压缩应力如果增大到材料的屈服极限时，将和供热介质的内压压力的作用一样，引起工作钢管的强度破坏。因此为保证工作钢管的安全，工作钢管的椭圆变形量应小于工作钢管的外径的3％。为达到该要求，还可对供水工作钢管和回水工作钢管分别进行径向稳定校核。

在步骤四S4中，为确保供水工作钢管和回水工作钢管的安全，供水工作钢管中的局部屈曲失稳壁厚δ₁和径向稳定壁厚δ₂的最大值作为供水工作钢管的最终设计公称壁厚δ₃，选取回水工作钢管的局部屈曲失稳壁厚δ₁和径向稳定壁厚δ₂的最大值作为回水工作钢管的最终设计公称壁厚δ₃。这里选择的最终设计公称壁厚δ₃满足产生局部屈曲稳定的条件、还分别满足轴向稳定和径向稳定的条件，确保供水工作钢管和回水工作钢管使用时的安全性。

最后，在步骤五S5中，对具有最终设计公称壁厚δ₃的供水工作钢管和回水工作钢管分别进行经济性分析，以分别获取每米具有不同壁厚的供水工作钢管与回水工作钢管的成本之和与每米具有相同壁厚的供水工作钢管与回水工作钢管的成本之和的比值，进而获得节约成本的比例。

本发明实施例的供热管系的壁厚设计方法，主要是根据在实际的供热管系中，供水压力高，回水压力低，因此对于相同外径的供水工作管道和回水工作管道，供水工作管道的设计压力对应大于回水工作管道的设计压力，根据该特点，依据上述方法计算的回水工作钢管的壁厚小于供水工作钢管的壁厚。即本发明实施例的供热管系的壁厚设计方法突破了原有供回水工作钢管的壁厚厚度一样的传统理念，在计算工作钢管的壁厚时，合理分配供水工作钢管与回水工作钢管的壁厚，使供水工作钢管和回水工作钢管在克服局部屈曲失稳、轴向失稳和径向失稳的条件下，即确保工作管道的安全性的条件下降低工作管道的成本，提高供热管系的经济性。

根据本发明实施例的供热管系的壁厚设计方法，当供水工作钢管和回水工作钢管的公称直径DN小于500mm时，也可省略步骤三S3，此时步骤四S4中选取最小公称壁厚δ作为最终设计公称壁厚δ₃。一般地，当供水工作钢管和回水工作钢管的公称直径DN小于500mm时，供水工作钢管和回水工作钢管在受到轴向压力时产生的轴向屈曲和在受到横向外压作用后产生的椭圆形变形量均可忽略不计，不会引起工作钢管的轴向失稳和径向失稳。因此可省略轴向稳定校核和径向稳定校核的步骤，计算更加简便，同时一般在校核后获得的最终设计公称壁厚δ₃数值更大，省略校核后得到的最终设计公称壁厚δ₃的数值相对更小，更具经济性。

根据本发明实施例的供热管系的壁厚设计方法，在步骤二S2中：最小公称壁厚δ通过以下公式获得：

δ＝δ_m+B

其中，δ_m—工作钢管的最小壁厚，m；

B—工作钢管的壁厚负偏差附加值，m，

其中，B＝χ×δ_m，

χ—壁厚负偏差系数，

最小壁厚δ_m通过以下公式获得：

其中，P_d—工作钢管的设计压力，MPa；

D₀—工作钢管的外径，m；

[σ]—钢材的许用应力，MPa；

η—许用应力修正系数；

Y—温度修正系数。

在步骤一S1中，可确定设计参数，进一步地可确定工作钢管的外径D₀、设计压力P_d、针对不同型号的钢材，可确定钢材的许用应力[σ]和许用应力修正系数η，根据流通介质的设计温度可确定温度修正系数Y，由此可计算出工作钢管最小壁厚δ_m；在得到工作钢管最小壁厚δ_m后，可根据管道壁厚负偏差系数χ(该数值可从现有的规范和标准中得到，例如当管道壁厚偏差为-5％时，管道壁厚负偏差系数为0.053)得到工作钢管的壁厚负偏差附加值B的数值，由此可计算出供水工作钢管和回水工作钢管的最小公称壁厚δ。

根据本发明实施例的供热管系的壁厚设计方法，在步骤三S3中，对最小公称壁厚δ进行轴向失稳校核通过以下公式验算：

其中，D₀—工作钢管的外径，m；

δ—工作钢管的最小公称壁厚，m；α—钢材的线性膨胀系数，m/m·℃；

E—钢材的弹性模量，MPa；

t₁—工作钢管的工作循环最高温度，℃；

t₀—工作钢管的计算安装温度，℃；

υ—钢材的泊松系数；

P_d—工作钢管的设计压力，MPa，

在最小公称壁厚δ满足该公式时，最小公称壁厚δ与轴向稳定壁厚δ₁的数值相同；在最小公称壁厚δ不满足该公式时，调整最小公称壁厚δ的数值使其满足该公式，满足该公式的最小数值作为轴向稳定壁厚δ₁。

在步骤一S1中确定了工作钢管的外径D₀等设计参数后，可根据具体型号的钢材得到钢材的线性膨胀系数α、钢材的弹性模量E以及钢材的泊松系数υ，根据工作钢管的供热介质的温度可确定工作钢管的工作循环最高温度，根据工作钢管的安装环境可确定工作钢管的计算安装温度t₀，将上文中计算的工作钢管的最小公称壁厚δ代入局部屈曲失稳的校核公式，当该不等式成立时，则表示最小公称壁厚δ可满足轴向失稳校核的要求，此时，最小公称壁厚δ与轴向稳定壁厚δ₁的数值相同；而不成立时，需要调整最小公称壁厚δ的数值使其满足该公式(增大最小公称壁厚δ的数值)，满足该公式的最小数值作为轴向稳定壁厚δ₁，具有该轴向稳定壁厚δ₁的供水工作钢管和回水工作钢管均能够满足轴向失稳校核的要求，可确保供水工作钢管和回水工作钢管的安全性。

根据本发明实施例的供热管系的壁厚设计方法，在步骤三S3中，对最小公称壁厚δ进行径向稳定校核由以下公式验算：

其中：ΔX—工作钢管的径向最大变形量，m；

W—管顶单位面积上总垂直荷载，kPa，包括管顶垂直土荷载和地面车辆传递到钢管上的荷载；

D₀—工作钢管的外径，m；

δ—工作钢管的最小公称壁厚，m；

r—工作钢管的平均半径，m；

E—钢材的弹性模量，kPa，

在最小公称壁厚δ满足该公式时，最小公称壁厚δ与径向稳定壁厚δ₂的数值相同；在最小公称壁厚δ不满足该公式时，调整最小公称壁厚δ的数值使其满足该公式，满足该公式的最小数值作为径向稳定壁厚δ₂。

如上文所述，在确定了工作钢管的外径D₀等参数后，可根据计算出的最小公称壁厚δ和工作钢管的外径D₀计算出工作钢管的平均半径r，根据工作钢管的实际使用工况，确定管顶单位面积上总垂直荷载W(该数值可从现有的标准中得到，例如当管顶覆土深度为1.5m时，管顶单位面积上总垂直载荷为58kPa)，将工作钢管的最小公称壁厚δ代入上述的径向稳定校核公式中，当该不等式成立时，则表示最小公称壁厚δ可满足径向稳定校核的要求，此时，最小公称壁厚δ与径向稳定壁厚δ₂的数值相同；而不成立时，需要调整最小公称壁厚δ的数值使其满足该公式(增大最小公称壁厚δ的数值)，满足该公式的最小数值作为径向稳定壁厚δ₂，具有该径向稳定壁厚δ₂的供水工作钢管和回水工作钢管均能够满足径向稳定校核的要求，可确保供水工作钢管和回水工作钢管的安全性。

根据本发明实施例的供热管系的壁厚设计方法，在步骤五S5中：对分别具有最终设计公称壁厚δ₃的供水工作钢管和回水工作钢管的经济性分析通过以下公式计算：

其中，u_δ—每米具有最终设计公称壁厚δ₃的供水工作钢管的价格，元/米；

s_δ—每米具有最终设计公称壁厚δ₃的回水工作钢管的价格，元/米；

u_m—供水工作钢管和回水工作钢管的两者中具有较大最终设计公称壁厚δ₃的工作钢管每米的价格，元/米。

每米不同壁厚、不同外径以及不同钢材型号的供水工作钢管和回水工作钢管的价格都可以在市场上了解到，通过上述公式可直观计算出对于不同的供热管系工程，根据本发明实施例的供热管系的壁厚设计方法选择的每米具有不同壁厚的供水工作钢管和回水工作钢管相比与现有技术中每米壁厚相同的供水工作管道和回水工作管道，节约成本的比例。

为更加直观地示出使用本发明实施例的供热管系的壁厚设计方法计算出的供水工作钢管和回水工作钢管的壁厚以及更直观地体现经济性，以下将通过表格分别示出在供水工作钢管和回水工作钢管的壁厚数据以及对应的成本数据。

其中，表一为供水工作钢管管道壁厚计算结果表；表二为回水工作钢管管道壁厚计算结果表；表三为供水、回水工作钢管管道壁厚经济性分析计算结果表。

以根据流通介质的最大流量、温度、内压等参数确定的以下设计参数为例进行说明：首先对于供水工作钢管，外径1420mm、设计压力1.6MPa、设计温度130℃、许用应力113MPa、温度修正系数0.4以及材料Q235B，依据上述的设计参数计算出的最小公称壁厚δ为11.15mm，对该最小公称壁厚δ进行轴向稳定壁厚计算，即轴向稳定校核，得到的轴向稳定壁厚δ₁为17.42mm，表格中并未直接计算径向稳定壁厚δ₂的数值，而是将轴向稳定壁厚δ₁代入径向稳定校核的公式中，得到满足径向稳定校核的不等式，进而得到轴向稳定壁厚δ₁作为最终设计公称壁厚δ₃的结论，应该理解的是，这种方式得到的最终设计公称壁厚δ₃的数值与将最小公称壁厚δ₁代入径向稳定校核的公式中，选取最终设计公称壁厚δ₃的数值是一致的，得到的最终设计公称壁厚δ₃为18.00mm；依据同样的方式，对回水工作钢管，外径1420mm、设计压力0.8MPa、设计温度90℃、许用应力113MPa、温度修正系数0.4以及材料Q235B，依据上述的设计参数计算出的最小公称壁厚为6.47mm，对该最小公称壁厚δ进行轴向稳定壁厚计算，即轴向稳定校核，得到的轴向稳定壁厚δ₁为11.78mm，该轴向稳定壁厚δ₁满足径向稳定校核，得到的最终设计公称壁厚δ₃为12.00mm。对于公称直径为1400mm(即外径为1420mm)的具有18.00mm最终设计公称壁厚δ₃的钢管，每米价格为2800元，同样公称直径为1400mm(即外径为1420mm)的具有12.00mm最终设计公称壁厚δ₃的钢管，每米价格为1875元，每米供水工作钢管和回水工作钢管的成本之和为2800与1875之和，即4675元；现有技术中选择相同的具有更厚管壁的供水工作钢管作为回水工作钢管，因此针对相同外径，现有技术中每米供水工作钢管与回水工作钢管的成本之和为2800与2800之和，即5600元，两者成本的比值为4675/5600，即0.8348，相比与现有技术节约的比例为0.1652(16.52％)。

需要说明的是，在实际的工业壁厚管道标准中，对于外径为325～529mm的工作钢管(即公称直径DN为300～500mm的工作钢管)，其管道壁厚的最小数值为7mm，因此虽然依照上述方法计算的壁厚数值满足安全性的标准，为确保使用者在实际工业生产中，获取指定壁厚数值的管道更加便利，表四列出了供水工作钢管管道壁厚选取结果，其中当对应于表一的理想的最终设计公称壁厚数值小于等于7mm时，在表四中实际选取了7mm作为最终公称设计壁厚；表五列出了回水工作钢管管道壁厚选取结果，其中当对应于表二的理想的最终设计公称壁厚数值小于等于7mm时，在表五中实际选取了7mm作为最终公称设计壁厚；表六为对应于表四、表五的供水、回水工作钢管管道壁厚经济性分析结果。

如表三所示，对于外径D₀范围在325-1420mm(即公称直径DN范围在300-1400mm)的供水工作钢管和回水工作钢管，节约成本的百分比范围在9％-20％，相比于现有技术更加经济。如表六所示，对于外径D₀范围在630-1420mm(即公称直径DN范围在600-1400mm)的供水工作钢管和回水工作钢管，节约成本的百分比范围在6％-19％，相比于现有技术更加经济；对于外径D₀范围小于630mm(即公称直径DN小于600mm)的供水工作钢管和回水工作钢管，相比于现有技术未节约成本。

如图2、图3所示，本发明实施例还提出了一种供热管系，包括供热装置(图中未示出)，与供热装置的出口相连的供水管道和与供热装置的入口相连通的回水管道(图中未示出)，供水管道包括用于流通供热介质的供水工作钢管1，回水管道包括用于流通供热介质的回水工作钢管，其中，回水工作钢管的最终设计公称壁厚δ₃小于供水工作钢管1的最终设计公称壁厚δ₃。

与现有技术相比，本发明实施例的供热管系由于回水工作钢管的最终设计公称壁厚δ₃小于供水工作钢管1的最终设计公称壁厚δ₃，因此可降低供热管系的成本，更具经济性。

如图2所示，供水管道还可包括：设置在供水工作钢管1外的保温层和设置在保温层2外的外护管3；回水管道还可包括设置在回水工作钢管外的保温层和设置在保温层外的外护管。由于供水管道和回水管道的结构相同，因此图中未示出回水管道。通过设置保温层2可避免供热管道内流通的供热介质的热量快速散发，提高供热管系的供热效率；通过设置外护管3可避免在长时间的使用中，土壤里的杂物破坏供热管系的强度或者土壤里的腐蚀性物质腐蚀供热管系，确保供热管系具有更长的使用寿命。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种供热管系的壁厚设计方法，其特征在于，所述供热管系包括供水管道和回水管道，所述供水管道包括用于流通供热介质的供水工作钢管，所述回水管道包括用于流通供热介质的回水工作钢管，所述供热管系的壁厚设计方法包括：

步骤一：根据不同的供热管系分别确定所述供水工作钢管和所述回水工作钢管的设计参数；

步骤二：根据所述供水工作钢管和所述回水工作钢管的设计参数分别计算所述供水工作钢管和所述回水工作钢管的最小公称壁厚δ；

步骤三：对所述供水工作钢管和所述回水工作钢管的最小公称壁厚δ分别进行轴向稳定校核和径向稳定校核，以分别获得所述供水工作钢管和所述回水工作钢管的轴向稳定壁厚δ₁和径向稳定壁厚δ₂；

步骤四：选取所述供水工作钢管中的轴向稳定壁厚δ₁和径向稳定壁厚δ₂的最大值作为供水工作钢管的最终设计公称壁厚δ₃，选取所述回水工作钢管的轴向稳定壁厚δ₁和径向稳定壁厚δ₂的最大值作为回水工作钢管的最终设计公称壁厚δ₃；

步骤五：对具有最终设计公称壁厚δ₃的所述供水工作钢管和回水工作钢管分别进行经济性分析，以分别获取每米具有不同壁厚的所述供水工作钢管与所述回水工作钢管的成本之和与每米具有相同壁厚的所述供水工作钢管与所述回水工作钢管的成本之和的比值，进而获得节约成本的比例。

2.根据权利要求1所述的供热管系的壁厚设计方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述设计参数包括所述供水工作钢管和所述回水工作钢管的设计压力P_d、外径D₀和公称直径DN。

3.根据权利要求2所述的供热管系的壁厚设计方法，其特征在于，当所述供水工作钢管和所述回水工作钢管的公称直径DN小于500mm时，省略所述步骤三，此时所述步骤四中选取最小公称壁厚δ作为最终设计公称壁厚δ₃。

4.根据权利要求3所述的供热管系的壁厚设计方法，其特征在于，在所述步骤二中：所述最小公称壁厚δ通过以下公式获得：

δ＝δ_m+B

其中，δ_m—工作钢管的最小壁厚，m；

B—工作钢管的壁厚负偏差附加值，m，

其中，B＝χ×δ_m，

χ—壁厚负偏差系数，

所述最小壁厚δ_m通过以下公式获得：

其中，P_d—工作钢管的设计压力，MPa；

D₀—工作钢管的外径，m；

[σ]—钢材的许用应力，MPa；

η—许用应力修正系数；

Y—温度修正系数。

5.根据权利要求4所述的供热管系的壁厚设计方法，其特征在于，在所述步骤三中，对所述最小公称壁厚δ进行轴向稳定校核通过以下公式验算：

其中，D₀—工作钢管的外径，m；

δ—工作钢管的最小公称壁厚，m；

α—钢材的线性膨胀系数，m/m·℃；

E—钢材的弹性模量，MPa；

t₁—工作钢管的工作循环最高温度，℃；

t₀—工作钢管的计算安装温度，℃；

υ—钢材的泊松系数；

P_d—工作钢管的设计压力，MPa，

在所述最小公称壁厚δ满足该公式时，最小公称壁厚δ与轴向稳定壁厚δ₁的数值相同；在最小公称壁厚δ不满足该公式时，调整最小公称壁厚δ的数值使其满足该公式，满足该公式的最小数值作为轴向稳定壁厚δ₁。

6.根据权利要求5所述的供热管系的壁厚设计方法，其特征在于，在所述步骤三中，对所述最小公称壁厚δ进行径向稳定校核由以下公式验算：

ΔX≤0.03D₀；

其中：ΔX—工作钢管的径向最大变形量，m；

W—管顶单位面积上总垂直荷载，kPa，包括管顶垂直土荷载和地面车辆传递到钢管上的荷载；

D₀—工作钢管的外径，m；

δ—工作钢管的最小公称壁厚，m；

r—工作钢管的平均半径，m；

E—钢材的弹性模量，kPa，

在最小公称壁厚δ满足该公式时，最小公称壁厚δ与径向稳定壁厚δ₂的数值相同；在最小公称壁厚δ不满足该公式时，调整最小公称壁厚δ的数值使其满足该公式，满足该公式的最小数值作为径向稳定壁厚δ₂。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的供热管系的壁厚设计方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述供水工作钢管和所述回水工作钢管适用于温度小于等于150℃，所述设计压力小于等于2.5MPa，且公称直径小于等于1500mm的情形。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的供热管系的壁厚设计方法，其特征在于，在所述步骤五中：对分别具有最终设计公称壁厚δ₃的所述供水工作钢管和所述回水工作钢管的所述经济性分析通过以下公式计算：

其中，u_δ—每米具有最终设计公称壁厚δ₃的所述供水工作钢管的价格，元/米；

s_δ—每米具有最终设计公称壁厚δ₃的所述回水工作钢管的价格，元/米；

u_m—所述供水工作钢管和所述回水工作钢管的两者中具有较大最终设计公称壁厚δ₃的工作钢管每米的价格，元/米。

9.一种供热管系，其特征在于，包括与供热装置的出口相连的供水管道和与所述供热装置的入口相连通的回水管道，所述供水管道包括用于流通供热介质的供水工作钢管，所述回水管道包括用于流通供热介质的回水工作钢管，其中，所述回水工作钢管的最终设计公称壁厚δ₃小于所述供水工作钢管的最终设计公称壁厚δ₃。

10.根据权利要求9所述的供热管系，其特征在于，所述供水管道还包括：设置在所述供水工作钢管外的保温层和设置在所述保温层外的外护管；所述回水管道还包括设置在所述回水工作钢管外的保温层和设置在所述保温层外的外护管。

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