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摘要：针对目前火电厂地下压力加刚性环钢管结构设计的不足，提出了地下加刚性环钢管结构优化设计的新方法，建立了地下压力加刚性环钢管优化设计的数学模型，并提出刚性环选用水平布置的槽钢、竖向布置的槽钢、扁钢、T型钢几种类型。结合工程实例，通过对大型火电厂循环水钢管刚性环选型优化分析，结果表明：采用T型、扁钢、水平及竖向布置的槽钢为刚性环的优化设计，技术可靠，经济效益可观。
关键词：火电厂；地下钢管；刚性环选型；优化分析
0 前言
对于火电厂采用填埋土法施工的循环水钢管，当光面钢管不能经济地满足管壁弹性稳定要求时，通常设置刚性环来提高管壁抵抗失稳的能力。
目前，火电厂大口径钢管刚性环为便于加工，均一直沿用过去水平布置的槽钢，采用“小环小间距”结构设计方法[1]，追求型钢号码最小、间距最小（≤250cm）的方案。小型刚性环，易于弯转成型，但布置间距小，导致刚性环数量增多、焊缝增加、防腐较难，同时对投资影响重视不足。火电厂单机容量如今已达1000MW，循环水钢管管径达到DN3800以上，如仍然采用型钢号码最小、间距最小的水平布置的槽钢刚性环结构设计，这类问题就更加突出。
为了解决上述问题， 本文将针对水平布置的槽钢、竖向布置的槽钢、扁钢、T型钢几种类型的刚性环，通过“经济环经济间距”优化设计方法进行研究。
1 优化方法
1.1 目标函数
加刚性环压力钢管结构优化设计目标是：在保证压力钢管整体及局部稳定、刚度、强度与施工等技术要求均满足的前提下，通过优化钢管壁厚、刚性环的截面特性、间距，使加刚性环的压力钢管的初投资最少。计算公式为：
式中：P为计算管段钢管及刚性环初期投资，元；D、L1为钢管结构平均直径与长度，cm；δ1为管壁结构厚度，cm；s为每吨钢管及刚性环总造价（包括材料、制作、运输、安装、防腐等费用），可按s=s1（1+α） 计，s1为钢管及刚性环材料价格，元/kg；α为除材料费以外其他费用与材料费的比值，可根据类似已建工程资料选取；N为刚性环的数量；Gh为单个刚性环的重量，kg。
1.2 结构稳定约束条件
加刚性环压力钢管稳定包括管壁的外压稳定和刚性环的局部稳定。根据文献[1，2]，地下压力钢管稳定计算应符合下式：
（2）
（3）
无刚性环时管壁计算：
（4）
有刚性环时管壁计算：
（5）
（6）
（7）
刚性环稳定计算：
（8）
上述式中：k为稳定安全系数； 为管壁或刚性环的临界压力，kg/cm2； 、pvk分别为管道总的外压力、垂直土压力设计值，kg/cm2； 、 分别为车辆移动荷载或地面活荷载设计值、管内真空压力设计值，kg/cm2；E、E0分别为钢材的弹性模量、回填土未经扰动时的压缩模量，kg/cm2；μ、μ0分别为钢材、土壤的泊松比；n为管壁皱曲波数； 折减系数；DP、DK分别为管道计算直径、通过刚性环与管壁组合截面重心的圆周直径，cm；δ为管壁计算厚度，cm；L为刚性环间距，cm；JK为包括刚性环管壁有效长度组合截面的惯性矩，cm4。
1.3 结构刚度约束条件
管壁刚度复核时的允许变形值ε应符合下式：
（9）
（10）
（11）
式中：ε为允许变形值，cm；J为管壁的惯性距，cm4；KA为管道受土壤挤压的弹性系数；C为土壤的阻力系数，kg/cm2。当计算刚性环的刚度时，需要将Dp 改成Dk，J改成Jk。
1.4 结构强度约束条件
受力最大截面的强度σ （kg/cm2）应符合下式：
? （12）
式中： бθ、бx分别为管壁纵截面的总圆周强度、管壁横截面的总轴向强度，kg/cm2；?为刚材强度设计值（许用应力），kg/cm2。
1.5 结构几何约束条件
考虑加刚性环的压力钢管制造、运输、施工等技术要求，应对设计变量进行几何约束：
管壁厚度、刚性环的间距L、型钢的尺寸均为离散变量，均为等间距0.1c m的倍数。
合理的刚性环间距宜满足如下条件：应用公式算得的管壁、刚性环的稳定安全系数、刚度、强度在允许的范围内；由刚性环稳定性公式求得的刚性环的型钢号码不宜过大，使工地对型钢弯转成型方便。
火电厂循环水钢管内径一般为1600mm～3800mm，内水压力小于0.3MPa，管节长一般3.6m～6.0m，刚性环不少于2个。常用的浅覆土低压钢管，其L/D=0.5～2.5，1000mm≤ L≤5000mm。
管道初始壁厚根据规定[2]的最小壁厚选取。
槽钢[3]的选择区间位于[8～[32a之间。
扁钢[3]的选择区间位于100×18～150×22之间。
T型钢[3]的选择区间位于TW75×150～TN250×200之间。
2 算例分析
某发电厂2x600MW工程，每台机组循环水进、排水管各设一条主管为D3020×12的钢管，单机全长500m。管顶覆土深度为2.5m。每根通过 Q=16.6 m3/s时，管内水工作压力为0.25MPa。钢管与刚性环采用相同的钢材Q235。刚性环为[16，间距为247cm。
2.1 优化设计结果
根據本文建立的优化目标函数和约束条件和文献[4]，开发了刚性环压力钢管结构设计优化程序。依据算例、各类型钢参数，利用该软件对每类型钢单独优化，结果分别为：水平槽钢型号为[25a方案初投资最低、竖向槽钢 [14a方案初投资最低、T型钢TN125x125方案初投资最低、扁钢150x12方案初投资最低。
2.2 优化设计方案与原设计方案对比分析
以上优化方案与原设计方案技术、经济对比结果见表1。表中原设计方案采用水平槽钢“小环小间距”方法[1]设计，其他设计方案均根据以上优化设计投资曲线选取的初投资最小的方案。
非刚性环处管壁的强度不随刚性环间距改变而变。刚性环处的管壁强度，原设计方案与优化各方案，均较接近，以原设计的“小环小间距”的刚性环处的管壁的强度并非最小，以槽钢水平布置“经济间距经济环”的方案强度最小，T型钢的强度最大，其他类型居中。
三种型钢四种设计方案采用“经济环经济间距”的优化方法所得结果表明，刚性环的用量均较原设计方案节省，节省刚性环钢材25%～62%。优先排序为T型钢、竖向槽钢、扁钢、水平槽钢。即使采用与“小环小间距”法设计的相近刚性环布置间距，“经济间距经济环” T型钢、竖向槽钢、扁钢设计各方案经济效益也要好。
刚性环优化后，刚性环数量减少，焊接和防腐等安装工作量均较少，加快施工进度。
3 结论
针对目前火电厂地下压力加刚性环钢管“小环小间距”结构设计的不足，提出了地下加刚性环钢管结构“经济间距经济环”优化设计的新方法。从优化前后结果对比来看，采用T型、扁钢、水平及竖向布置的槽钢为刚性环的优化设计，技术可靠，经济效益可观。建议今后刚性环优先选用顺序为T形钢、立式槽钢、扁钢、水平槽钢。地下压力加刚性环钢管 “经济间距经济环”设计方法，对火电厂采用填埋土法施工的地下直埋加刚性环压力钢管设计问题合理有效，应当推广应用并进一步发展。
参 考 文 献
[1]中南电力设计院.地下压力输水钢管设计手册[M].北京：中国电力出版社，1979.
[2]DL/T5339-2006，火力发电厂水工设计规范[S]，2006.
[3]新编钢材速查速算手册[M].北京：化学工业出版社，2006.
[4]潘家铮.水工结构分析与计算机应用[M].北京：科学技术出版社，1995.
作者简介：
耿树青（1965-）：男，1988年毕业于大连理工大学水利水电工程建筑专业，学士学位，现从事火核电厂水工工艺设计与研究工作，高工。
关键词：火电厂；地下钢管；刚性环选型；优化分析
0 前言
对于火电厂采用填埋土法施工的循环水钢管，当光面钢管不能经济地满足管壁弹性稳定要求时，通常设置刚性环来提高管壁抵抗失稳的能力。
目前，火电厂大口径钢管刚性环为便于加工，均一直沿用过去水平布置的槽钢，采用“小环小间距”结构设计方法[1]，追求型钢号码最小、间距最小（≤250cm）的方案。小型刚性环，易于弯转成型，但布置间距小，导致刚性环数量增多、焊缝增加、防腐较难，同时对投资影响重视不足。火电厂单机容量如今已达1000MW，循环水钢管管径达到DN3800以上，如仍然采用型钢号码最小、间距最小的水平布置的槽钢刚性环结构设计，这类问题就更加突出。
为了解决上述问题， 本文将针对水平布置的槽钢、竖向布置的槽钢、扁钢、T型钢几种类型的刚性环，通过“经济环经济间距”优化设计方法进行研究。
1 优化方法
1.1 目标函数
加刚性环压力钢管结构优化设计目标是：在保证压力钢管整体及局部稳定、刚度、强度与施工等技术要求均满足的前提下，通过优化钢管壁厚、刚性环的截面特性、间距，使加刚性环的压力钢管的初投资最少。计算公式为：
式中：P为计算管段钢管及刚性环初期投资，元；D、L1为钢管结构平均直径与长度，cm；δ1为管壁结构厚度，cm；s为每吨钢管及刚性环总造价（包括材料、制作、运输、安装、防腐等费用），可按s=s1（1+α） 计，s1为钢管及刚性环材料价格，元/kg；α为除材料费以外其他费用与材料费的比值，可根据类似已建工程资料选取；N为刚性环的数量；Gh为单个刚性环的重量，kg。
1.2 结构稳定约束条件
加刚性环压力钢管稳定包括管壁的外压稳定和刚性环的局部稳定。根据文献[1，2]，地下压力钢管稳定计算应符合下式：
（2）
（3）
无刚性环时管壁计算：
（4）
有刚性环时管壁计算：
（5）
（6）
（7）
刚性环稳定计算：
（8）
上述式中：k为稳定安全系数； 为管壁或刚性环的临界压力，kg/cm2； 、pvk分别为管道总的外压力、垂直土压力设计值，kg/cm2； 、 分别为车辆移动荷载或地面活荷载设计值、管内真空压力设计值，kg/cm2；E、E0分别为钢材的弹性模量、回填土未经扰动时的压缩模量，kg/cm2；μ、μ0分别为钢材、土壤的泊松比；n为管壁皱曲波数； 折减系数；DP、DK分别为管道计算直径、通过刚性环与管壁组合截面重心的圆周直径，cm；δ为管壁计算厚度，cm；L为刚性环间距，cm；JK为包括刚性环管壁有效长度组合截面的惯性矩，cm4。
1.3 结构刚度约束条件
管壁刚度复核时的允许变形值ε应符合下式：
（9）
（10）
（11）
式中：ε为允许变形值，cm；J为管壁的惯性距，cm4；KA为管道受土壤挤压的弹性系数；C为土壤的阻力系数，kg/cm2。当计算刚性环的刚度时，需要将Dp 改成Dk，J改成Jk。
1.4 结构强度约束条件
受力最大截面的强度σ （kg/cm2）应符合下式：
? （12）
式中： бθ、бx分别为管壁纵截面的总圆周强度、管壁横截面的总轴向强度，kg/cm2；?为刚材强度设计值（许用应力），kg/cm2。
1.5 结构几何约束条件
考虑加刚性环的压力钢管制造、运输、施工等技术要求，应对设计变量进行几何约束：
管壁厚度、刚性环的间距L、型钢的尺寸均为离散变量，均为等间距0.1c m的倍数。
合理的刚性环间距宜满足如下条件：应用公式算得的管壁、刚性环的稳定安全系数、刚度、强度在允许的范围内；由刚性环稳定性公式求得的刚性环的型钢号码不宜过大，使工地对型钢弯转成型方便。
火电厂循环水钢管内径一般为1600mm～3800mm，内水压力小于0.3MPa，管节长一般3.6m～6.0m，刚性环不少于2个。常用的浅覆土低压钢管，其L/D=0.5～2.5，1000mm≤ L≤5000mm。
管道初始壁厚根据规定[2]的最小壁厚选取。
槽钢[3]的选择区间位于[8～[32a之间。
扁钢[3]的选择区间位于100×18～150×22之间。
T型钢[3]的选择区间位于TW75×150～TN250×200之间。
2 算例分析
某发电厂2x600MW工程，每台机组循环水进、排水管各设一条主管为D3020×12的钢管，单机全长500m。管顶覆土深度为2.5m。每根通过 Q=16.6 m3/s时，管内水工作压力为0.25MPa。钢管与刚性环采用相同的钢材Q235。刚性环为[16，间距为247cm。
2.1 优化设计结果
根據本文建立的优化目标函数和约束条件和文献[4]，开发了刚性环压力钢管结构设计优化程序。依据算例、各类型钢参数，利用该软件对每类型钢单独优化，结果分别为：水平槽钢型号为[25a方案初投资最低、竖向槽钢 [14a方案初投资最低、T型钢TN125x125方案初投资最低、扁钢150x12方案初投资最低。
2.2 优化设计方案与原设计方案对比分析
以上优化方案与原设计方案技术、经济对比结果见表1。表中原设计方案采用水平槽钢“小环小间距”方法[1]设计，其他设计方案均根据以上优化设计投资曲线选取的初投资最小的方案。
非刚性环处管壁的强度不随刚性环间距改变而变。刚性环处的管壁强度，原设计方案与优化各方案，均较接近，以原设计的“小环小间距”的刚性环处的管壁的强度并非最小，以槽钢水平布置“经济间距经济环”的方案强度最小，T型钢的强度最大，其他类型居中。
三种型钢四种设计方案采用“经济环经济间距”的优化方法所得结果表明，刚性环的用量均较原设计方案节省，节省刚性环钢材25%～62%。优先排序为T型钢、竖向槽钢、扁钢、水平槽钢。即使采用与“小环小间距”法设计的相近刚性环布置间距，“经济间距经济环” T型钢、竖向槽钢、扁钢设计各方案经济效益也要好。
刚性环优化后，刚性环数量减少，焊接和防腐等安装工作量均较少，加快施工进度。
3 结论
针对目前火电厂地下压力加刚性环钢管“小环小间距”结构设计的不足，提出了地下加刚性环钢管结构“经济间距经济环”优化设计的新方法。从优化前后结果对比来看，采用T型、扁钢、水平及竖向布置的槽钢为刚性环的优化设计，技术可靠，经济效益可观。建议今后刚性环优先选用顺序为T形钢、立式槽钢、扁钢、水平槽钢。地下压力加刚性环钢管 “经济间距经济环”设计方法，对火电厂采用填埋土法施工的地下直埋加刚性环压力钢管设计问题合理有效，应当推广应用并进一步发展。
参 考 文 献
[1]中南电力设计院.地下压力输水钢管设计手册[M].北京：中国电力出版社，1979.
[2]DL/T5339-2006，火力发电厂水工设计规范[S]，2006.
[3]新编钢材速查速算手册[M].北京：化学工业出版社，2006.
[4]潘家铮.水工结构分析与计算机应用[M].北京：科学技术出版社，1995.
作者简介：
耿树青（1965-）：男，1988年毕业于大连理工大学水利水电工程建筑专业，学士学位，现从事火核电厂水工工艺设计与研究工作，高工。