0 引言

循环次数是疲劳分析的基础数据。利用疲劳寿命曲线评价和估算疲劳寿命或疲劳强度是工程上广泛应用的方法。疲劳线性累积理论为疲劳分析开拓了思路，局部应力应变法和Paris公式提供了估算裂纹起始寿命和裂纹扩展寿命的方法。方英鹤指出火电厂管道的破坏机制大部分属于低周疲劳破坏，建议提高管道的基本循环次数[1]。李云龙等人评估油气管道的疲劳寿命，采用雨流计数法分析了压力循环次数，用于指导管道设计及安全运营[2-4]。针对供热热水管道，CJJ/T 81—2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》对管道强度分析采用了应力分类法，直管段验算采用安定性分析，弯头验算采用简化的疲劳分析[5]。供热管道在设计年限内的温差循环次数由每天温度变化的小作用循环次数和大温差循环次数(启停和事故循环)组成[6]。张华杉等人对管网故障情况的研究，为热网可靠性分析及事故循环次数调查提供了参考[7-9]。部分学者考虑了温度变化对疲劳寿命的影响，借鉴欧洲规范给出了管道的温差循环次数[10-12]。但目前对于温差循环次数的研究尚未形成完整体系，离散数据得到的每天小温差循环次数，也会导致管道疲劳次数的失真，引起管件疲劳失效，减少系统使用年限。因此有必要探索热水管道实际运行参数下的温差循环次数。

机械正压通气用于重症哮喘合并呼吸衰竭的患者急诊抢救，可以显著改善患者目前呼吸困难造成的缺氧情况，及时为患者提供持续的呼吸支持，从而改善患者组织缺氧、呼吸衰竭等情况。临床治疗抢救过程中，如发现该类患者呼吸衰竭进行性加重，且患者进行支气管扩张药物和糖皮质激素抗炎治疗效果不佳，动脉血气分析重度呼吸衰竭，两肺布满响亮的哮鸣音和湿罗音，则要考虑患者呼吸肌、支气管痉挛没有得到缓解，呼吸肌疲劳，可以及时采取机械通气进行抢救。

本文提出基于整个供暖季连续运行温度划分温差段的方法来界定每天的小温差循环，对热电厂为热源的集中供热一次网输送干线的温差循环次数进行统计，由疲劳曲线得到管道的疲劳极限，为以热电厂为热源的集中供热一次网输送干线局部构件的疲劳分析提供依据。

1 输送干线事故情况的调查统计

1.1 数据来源

本文中供热直埋管网事故包括补偿器破坏、管网漏水、局部构件(如三通、弯头、异径管等)失效等，以及由热源造成的增加管网最大温差循环次数的事故。本次问卷采用填空与选择的方式，获得调查对象所在地区热源与管网的投运年限、事故次数、位置及抢修时间。在正式调查前，首先咨询了相关专家，并进行了小规模调查测试，依据一些调查对象提出的意见对部分题项的表述模糊、词语歧义等问题进行更改与完善，最终确定了正式问卷。2015年12月至2016年2月进行了调查。调查的主要方式是问卷调查。本次调查回收问卷273份，其中有效问卷215份，有效率为78.75%，有关样本的分布情况如下：工程人员，93.02%；科研人员，6.98%。

1.2 输送干线的事故频次

输送干线的事故频次如表1所示，占前3位的分别是：21.47%的人选择热网5 a出现1次事故，16.38%的人选择3 a出现1次事故，15.82%的人选择8 a出现1次事故。将输送干线的实际事故频次进行加权计算，得到输送干线每年的事故循环次数为0.302次。

我国区域供热管网的规模不断扩大，结构日趋复杂，热网事故也随供热程度的增加而递增，这是由其固有条件决定的，有一定的随机性，不能完全避免，但应从设计、运行、管理、调度等方面尽可能减少事故次数和影响范围，使管网安全稳定运行。

 

表1 输送干线事故频次

  

频次百分比/%排序0次1.69920a1次1.131015a1次3.95810a1次9.6068a1次15.8235a1次21.4714a1次11.3043a1次16.3822a1次10.7351a1次6.7871a2次1.1310

炼化产业产能过剩受周期波动、政府因素和市场因素影响，同时跟炼化企业市场分布、企业自身的经营规模也是分不开的，因此综合考虑经济波动、市场因素、政府因素和企业自身的影响，本文选取产能利用率作为解释变量，经济波动、政府投资、市场需求以及企业规模指标作为被解释变量，变量指标选取的解释如下：

1.3 输送干线的修复时间及故障位置

关于输送干线的修复时间，有91.0%的人选择2 d之内能够恢复正常运行。调查表明，供热系统基本抢修及时，90%的输送干线故障管段在2 d之内完成1次大温差循环。在故障位置排序中，补偿器排在首位，阀门排在第2位，弯头、焊口和折角分别排在第3，4，5位。故障位置及停热时间会直接影响整个事故的损失大小，要从缩短故障定位时间及控制管段放、充水时间等方面来减少事故停热时间，注意发生在补偿器、弯头、阀门等位置的应力集中，定期对设备巡检、维护，减少管件故障增加的管道循环次数，提高整个热网的可靠性。

2 输送干线最大温差循环次数的确定

本文采集了山西省8个典型热电厂5个供暖季的运行数据，来分析温度变化对输送干线疲劳寿命的影响，以确定出合理的最大温差循环次数。

2.1 等效温差循环次数的计算方法

本文综合载荷随时间变化的历程及《区域供热手册》[13]中的温度变化过程，考虑包含每天最大温差外的其他所有小温差循环，同时剔除某些由于天数界定而出现的连续上升或连续下降的非循环小温差，更真实地反映输送干线的运行情况和温度波动趋势，选择用供暖季连续运行温度的方法分析输送干线的等效温差循环次数。本方法假设系统使用弹塑性的材料模型，在计算中，即使当应力超过屈服应力时，也采用单一的线性弹性应力-应变关系[6]。利用泊尔姆格林-米纳(Palmgren-Miner)公式计算等效温差循环次数Nj：

起升机构空载启动时，吊钩滑轮松弛在地上，钢丝绳的质量忽略不计，这时电动机接电直接启动。可知：接入电动机转矩曲线信号，用MATLAB系统的Simulink模块建立该系统模型[6]。

Nj=n1m+n2m+…+nim

(1)

输送干线每天、每周和每月小温差的等效温差循环次数叠加每年1.3次大温差循环(每年启停1次与0.302次事故)，折算得到每年的最大温差循环次数。设计和运行一般原则上不允许事故发生，本文通过调查统计补偿器、阀门等管件事故，得到了较为保守的温差循环次数。可以通过提高元部件的质量和施工安装水平，降低管件的故障频率，尽可能保证管网每年仅有启停1次的大温差循环。从图2可以看出：

在国际社会不可再生能源日趋枯竭和节能环保理念愈发深入人心的当下，毕总认为在中国市场中虽然“油改电、锂电化”已推行了一段时间，但进程仍需加快和加深，在叉车和电池技术上有着自己独特优势的比亚迪叉车，仍继续前进，为“油改电、锂电化”做出贡献。

《区域供热手册》中指出对于m=3，每天的小温差起作用，而对于m=5，每年的大变化更重要，故提出m=4的曲线。文献[10]中对m=1,2,10进行了计算，验证了m=4时既考虑了小温差的作用，又考虑了大温差的作用。因此，本文仅对m=2～6进行分析。

1) 当j=1时，可计算出供暖季每天的等效温差循环次数N1，此时Δti取5 ℃,10 ℃,15 ℃,…；在整个供暖季连续运行温度的基础上，ni取以5 ℃为间隔的温差段内依次包含的相邻温度峰谷值之差的个数。

2) 当j=2时，可计算出供暖季每周的等效温差循环次数N2，此时Δti取5 ℃,10 ℃,15 ℃,…；取以5 ℃为间隔的温差段内依次包含的每周最高温度与最低温度之差的个数。

3) 当j=3时，可计算出供暖季每月的等效温差循环次数N3，此时Δti取5 ℃,10 ℃,15 ℃,…；取以5 ℃为间隔的温差段内依次包含的每月最高温度与最低温度之差的个数。

4) 本文仅对热电厂为热源的集中供热一次网输送干线的温差循环次数进行了研究，还需对多种热源和多种类型的管道进行统计，获得一系列管道设计寿命内的温差循环次数及临界应力，为判断各管件是否满足低循环疲劳的安全性要求提供参考。

 

表2 Δti和ni的取值

  

循环温差Δt范围总计Δt≤5℃5℃<Δt≤10℃10℃<Δt≤15℃…5(i-1)℃<Δt≤5i℃Δti/℃51015…5inin1n2n3…ni∑ni

以文献[15]中某输送干线弯头为例，说明管道疲劳分析的方法。通过ANSYS有限元模拟的方法，计算弯头的应力S为837 MPa。

图1 每天、每周、每月的等效温差循环次数

2.2 最大温差循环次数的确定

式中 Δti为温度变化，℃；Δtref为管网运行过程中出现的最高温度与环境温度(工程中取10 ℃)之差，℃；ni为管网运行过程中温度变化Δti出现的次数；m为指数，1/m为S-N(应力范围-循环次数)曲线的斜率；下标j取值为1,2,3，分别代表每天、每周、每月；下标i为选取变量个数，i=1,2,…。

  

 

 

 

 

  

图2 输送干线Ⅰ～Ⅷ供水管道每年的m-N曲线图

1) 最大温差循环次数取决于指数m、参考温度Δtref及温度变化过程，并随m增大而减小，m≥4时趋于平稳。

2) 当m≥4.5时，各输送干线供水管道的最大温差循环次数变化平稳，趋于大温差的循环次数，即大温差对最大温差循环次数起主要作用，小温差的影响很小；当m≤3.5时，最大温差循环次数变化较大，小温差起主要作用，而大温差影响较小；当m=4时，既体现了小温差的作用，又体现了大温差的作用。

根据管网的不同运行情况，以各输送干线供水每年的最大温差循环次数推算其在设计寿命30 a内的最大温差循环次数，当m在2～6之间取值时计算结果见表3。可以看出，当m=4时，各热电厂的输送干线供水按1.3次大温差折算的设计寿命内最大温差循环次数范围为(51.50，73.51)，与欧洲规范中主管道的循环次数100～250相差较大，这是由于地域差异和具体运行工况不同。欧洲规范中集中供热系统全年运行，管道最大循环温差110 ℃，每月、每周和每天的温差逐级递减。本文调查的热网仅在供暖季运行，管网设计温度130 ℃，而实际运行中即使是冬季最冷时期也达不到设计温度，本文按照管网实际运行过程中出现的最高温度与环境温度之差作为最大循环温差，每天的温度变化取温度峰谷值之差，并以5 ℃为间隔的温差段上限值作为Δti，将温差进行了一定放大。因此，本文得到的循环次数比欧洲规范中的循环次数有所减小。

3) 当m=4时，输送干线Ⅰ～Ⅷ供水管道每年的最大作用循环次数在1.5～3.5次之间。置信度为90%时，输送干线供水每年的最大温差循环次数的变化范围为[2.05，2.25]；置信度为95%时，输送干线供水每年的最大温差循环次数的变化范围为[2.03，2.27]。

 

表3 输送干线供水30 a的最大温差循环次数

  

输送干线m2.03.03.54.04.55.06.0Ⅰ162.3474.1659.5551.5046.8444.0541.22Ⅱ172.3985.7770.4861.3855.5551.5946.72Ⅲ170.2091.0176.3467.1360.8656.3250.29Ⅳ283.39109.5683.3968.9160.1854.5548.05Ⅴ296.71102.6876.1662.5955.0150.4445.47Ⅵ333.95124.7191.7473.5162.6955.8848.30Ⅶ348.30120.5686.5068.3457.9451.6645.08Ⅷ301.80104.3777.1463.0555.0750.2245.00

2.3 输送干线的最大允许次数

依据欧洲规范BS EN 13941:2009中对低循环疲劳破坏的验算方法，有如下关系式：

 

(2)

式中 ηi为应力范围Si的循环次数；Ni为应力范围Si循环所对应的最大允许次数，Ni4；γfat为疲劳断裂的安全系数，取值见表4。

 

表4 疲劳的分项安全系数

  

工程等级γfatA5B6.67C10

利用式(2)计算得到在工程等级C，疲劳断裂安全系数取10的情况下，输送干线供水的最大允许次数为735.1，根据S-N曲线得到管道所能承受的允许应力不超过960 MPa，大于现行规程规定的750 MPa。

3 工程实例

计算各输送干线最近一个供暖季每天、每周、每月的等效温差循环次数N1，N2，N3，结果见图1。可以看出：随着m值的增大，每天、每周和每月的等效温差循环次数逐渐减小；当m≤3时，每天、每周和每月的等效温差循环次数变化陡峭，小温差对管道作用明显；m≥4时，每天、每周和每月的等效温差循环次数趋近于0，小温差对管道的作用减弱。每天的温度变化Δti采用相邻峰谷值温度之差，能反映输送干线的实际运行情况和应力范围的变化。

1) 按照现行规程，S=837 MPa>750 MPa，该弯头不满足疲劳强度要求。

2) 按照欧洲规范给出的主管道循环次数100次，工程等级C的疲劳断裂安全系数取10，等同于最大允许应力为889 MPa，因此S=837 MPa<889 MPa，该弯头满足疲劳强度要求。

3) 按照本文方法，S=837 MPa<960 MPa，该弯头满足疲劳强度要求。

在本研究中，由靶刺激(要求被试做出迅速按键反应的刺激)所诱发的P3即P3b，因而该成分反映了被试对靶刺激的主动觉察能力，属于随意注意，反映了认知加工过程中自上而下的决策阶段[6]。研究结果表明，两个病例组P3b的波幅及潜伏期与正常对照相比均无显著性差异，同时两个病例组之间也无显著性差异，似乎说明患者的随意注意功能并未受到患病和化疗的影响。

4 结论

1) 通过对供热直埋输送干线事故频次的调查统计，确定热电厂为热源的输送干线每年的事故循环次数为0.302次。补偿器、阀门、弯头、焊口和折角的事故频率占前5位，应提高管件质量和施工安装水平，减少事故次数，提高管网可靠性。

2) 当m=4时，输送干线Ⅰ～Ⅷ供水管道每年的最大作用循环次数在1.5～3.5次之间；按1.3次大温差折算设计寿命内的最大温差循环次数范围为(51.50，73.51)，较欧洲规范中主管道的循环次数有所减少。

3) 热电厂输送干线供水的最大允许次数为735.1，允许应力范围为不超过960 MPa，大于现行规程规定的750 MPa。

DL/T 5366—2014《发电厂汽水管道应力计算技术规程》中规定，当锅炉制造厂未提供温度偏差时，温度偏差值可取5 ℃[14]。同时按供热系统运行调度经验也多以5 ℃温差进行调节，故以5 ℃为间隔确定温差段，取温差段的上限值作为Δti将温差进行一定程度放大，所得结果更为安全，Δti和ni取值见表2。

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