供熱管道直埋敷設(shè)技術(shù)現(xiàn)狀探討

秦力平

供熱管道直埋敷設(shè)技術(shù)現(xiàn)狀探討

秦力平

直埋敷設(shè)方式越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于供熱管道的敷設(shè)中。直埋敷設(shè)技術(shù)的不斷積累與發(fā)展，供熱區(qū)域的不斷擴(kuò)大，對(duì)直埋管道的受力設(shè)計(jì)、施工都提出新的要求。例如：高壓力、大直徑管道合理的受力設(shè)計(jì)方法；固定墩、補(bǔ)償器的優(yōu)化布置；三通、彎頭等處的加固處理等等。專(zhuān)業(yè)人士正在不斷努力積累和提出新的方法和思路來(lái)解決這些問(wèn)題，以期加快直埋敷設(shè)技術(shù)的發(fā)展。

大直徑管道；安裝方式；管道受力失效方式

敷設(shè)供熱管道可采用的方法有：地上敷設(shè)、管溝敷設(shè)和直埋敷設(shè)。同以往的管溝敷設(shè)方式相比較，直埋敷設(shè)有很多優(yōu)點(diǎn)，如占地少、施工周期短、維護(hù)量少、節(jié)約投資、壽命長(zhǎng)等。如今經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外致力于這方面技術(shù)研究的人員共同努力，直埋敷設(shè)技術(shù)得到快速發(fā)展，使得直埋敷設(shè)方式逐漸成為我國(guó)供熱管道敷設(shè)中最常用的敷設(shè)方式。近幾年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)供熱管網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，原有的直埋敷設(shè)管道的設(shè)計(jì)和施工方法已經(jīng)不能滿足要求。一些權(quán)威的設(shè)計(jì)院采用在原有設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上引用國(guó)外的新技術(shù)或者重新考慮安全系數(shù)等方法來(lái)進(jìn)行直埋敷設(shè)管道的受力設(shè)計(jì)，并在工程實(shí)際中不斷的積累經(jīng)驗(yàn)、探索和提出新的受力計(jì)算方法。

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外直埋敷設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行淺析[1]。通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的研究和對(duì)國(guó)內(nèi)的直埋敷設(shè)情況進(jìn)行調(diào)研，提出供熱直埋敷設(shè)管道受力設(shè)計(jì)計(jì)算中存在的一些亟待解決的問(wèn)題，并分析其解決方法和思路。

一 直埋敷設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)直埋管道的受力分析主要采用從國(guó)外引進(jìn)的應(yīng)力分析法。應(yīng)力分析法認(rèn)為根據(jù)不同的應(yīng)力作用形式，管道會(huì)發(fā)生不同形式的破壞，應(yīng)采用不同的應(yīng)力驗(yàn)算方法。1976年北京市煤氣熱力設(shè)計(jì)院等五家單位合作在熱力管道無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)試驗(yàn)研究中采用應(yīng)力分類(lèi)法進(jìn)行無(wú)補(bǔ)償?shù)睦碚撗芯亢同F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，證實(shí)了采用應(yīng)力分類(lèi)法理論計(jì)算結(jié)果的正確性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)供熱實(shí)驗(yàn)室針對(duì)直埋敷設(shè)管道的特殊性對(duì)其進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，即對(duì)管道在土壤中的受力狀況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、測(cè)量。得出在管道運(yùn)行初期和正式運(yùn)行期間由于土壤摩擦系數(shù)的不同，造成過(guò)渡段長(zhǎng)度的變化[2]。給直埋管道的設(shè)計(jì)和研究提供了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。太原理工大學(xué)和太原熱力公司用三年的時(shí)間完成了大直徑管道摩擦系數(shù)的試驗(yàn)研究。得出結(jié)論《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T81-98)[3](以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)程》)給出的回填土摩擦系數(shù)的取值范圍可以適用于大直徑管道的直埋敷設(shè)管道受力設(shè)計(jì)計(jì)算中[4]。

北京煤氣與熱力設(shè)計(jì)院在實(shí)際工程中已經(jīng)成功地在無(wú)補(bǔ)償冷安裝直埋敷設(shè)中使用了工作壓力2.5MPa；DN1000mm的供熱管道[5]。

三通、彎頭等薄弱部件處的保護(hù)措施以及預(yù)熱方法等技術(shù)也在不斷的更新。由于直埋敷設(shè)的受力設(shè)計(jì)方法較為繁雜，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)業(yè)人士也致力于開(kāi)發(fā)可以進(jìn)行地下直埋管道受力計(jì)算的應(yīng)用軟件，以簡(jiǎn)化直埋敷設(shè)管道的受力計(jì)算。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)一些大的設(shè)計(jì)院中所使用的直埋受力計(jì)算軟件有哈爾濱工業(yè)大學(xué)王鋼博士用Dos語(yǔ)言編制的直埋應(yīng)力計(jì)算軟件和從美國(guó)引進(jìn)的CAESAR2軟件。國(guó)內(nèi)的一些高校也相繼推出直埋敷設(shè)受力設(shè)計(jì)計(jì)算的相關(guān)軟件。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于直埋管道受力的設(shè)計(jì)原則雖然不完全一致，但是大部分都遵循盡量避免整個(gè)管道中的有補(bǔ)償安裝，而只在局部薄弱部件處進(jìn)行補(bǔ)償保護(hù)的原則。

國(guó)內(nèi)主要按照《規(guī)程》中的方法來(lái)進(jìn)行直埋管道的受力計(jì)算?！兑?guī)程》的實(shí)施給直埋敷設(shè)管道的受力設(shè)計(jì)提供了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，使得《規(guī)程》執(zhí)行以來(lái)國(guó)內(nèi)的直埋敷設(shè)管道受力設(shè)計(jì)規(guī)范化?！兑?guī)程》對(duì)我國(guó)直埋敷設(shè)技術(shù)的發(fā)展意義重大，一直以來(lái)各個(gè)設(shè)計(jì)、施工以及科研單位在進(jìn)行有關(guān)直埋敷設(shè)的工作中都大大的受益于《規(guī)程》。鑒于《規(guī)程》頒布時(shí)直埋敷設(shè)的發(fā)展?fàn)顩r，《規(guī)程》中對(duì)直埋敷設(shè)的一些設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了限制，明確指出《規(guī)程》適用于供熱介質(zhì)溫度小于或等于150℃，公稱(chēng)直徑小于或等于500mm的鋼質(zhì)內(nèi)管、保溫層、保護(hù)外殼結(jié)合為一體的預(yù)制保溫直埋熱水管道。一些設(shè)備廠家的設(shè)計(jì)手冊(cè)中也給出直埋敷設(shè)管道的受力設(shè)計(jì)方法[6]。

二 直埋敷設(shè)中存在的問(wèn)題及解決思路

近幾年的直埋敷設(shè)熱水管道很多都需要使用大直徑、高壓力的管道，原來(lái)的適用于小直徑管道的設(shè)計(jì)方法和公式亟待改進(jìn)。同時(shí)，直埋技術(shù)不斷發(fā)展，大直徑管道的無(wú)補(bǔ)償安裝、薄弱部件加強(qiáng)等技術(shù)也越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于實(shí)際工程中。經(jīng)過(guò)調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)直埋敷設(shè)管道受力設(shè)計(jì)存在以下幾個(gè)問(wèn)題，進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的解決方法。

1.直埋管道受力設(shè)計(jì)方法適用范圍有待擴(kuò)展。

《規(guī)程》中給出的直埋管道受力設(shè)計(jì)方法適用于供熱介質(zhì)溫度不大于150℃，公稱(chēng)直徑不大于DN500mm的一體型預(yù)制保溫管。可是現(xiàn)在的供熱管道規(guī)格已經(jīng)達(dá)到公稱(chēng)直徑DN1000mm；管道的工作壓力也很大，一些工程已經(jīng)使用了工作壓力2.5MPa的管道的無(wú)補(bǔ)償冷安裝直埋敷設(shè)[5]。

《規(guī)程》以及一些設(shè)備廠家在設(shè)計(jì)手冊(cè)中給出的公式、圖表大多是對(duì)較低工作壓力、較小直徑管道的簡(jiǎn)化結(jié)果，這些要求是否適用于大直徑、較高工作壓力的直埋敷設(shè)管道的受力設(shè)計(jì)還有待研究。另外，《規(guī)程》中對(duì)于固定墩推力的計(jì)算是基于粉質(zhì)粘土或砂質(zhì)粉土的情況，并按照一定的摩擦力下降規(guī)律給出的，但沒(méi)有給出土壤特性及摩擦力情況不同時(shí)的計(jì)算方法。

解決該問(wèn)題的思路是以現(xiàn)有的管道受力設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)有的公式、原理進(jìn)行深入分析，重點(diǎn)考慮大直徑管道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

例如：在進(jìn)行地下直埋管道受力設(shè)計(jì)中的單位管長(zhǎng)摩擦力的計(jì)算時(shí)，《規(guī)程》中給出的計(jì)算公式為：

(1)

式中F—軸線方向每米管道的摩擦力，N；

μ—土壤與管道之間的摩擦系數(shù)；

H—管頂覆土深度；當(dāng)H≥1.5m時(shí)，H取1.5m；

Dk—預(yù)制保溫管外殼的外徑，m。

大直徑時(shí)管道的自重對(duì)摩擦力的影響較大，建議在計(jì)算單位管長(zhǎng)摩擦力時(shí)考慮自重的影響[7]：

(2)

式中G—單位管重(包括流動(dòng)介質(zhì))，N。

如果進(jìn)行直埋管道的受力設(shè)計(jì)時(shí)不區(qū)分管道直徑的大小，統(tǒng)一用《規(guī)程》中的方法進(jìn)行管道的相關(guān)受力計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果可能不合理，容易造成工程上的隱患。

2.直埋敷設(shè)安裝方式的適用條件。

現(xiàn)有很多文獻(xiàn)和資料都對(duì)直埋敷設(shè)的安裝方式進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析和介紹，按照管段是否有補(bǔ)償可以將直埋敷設(shè)安裝方式分為無(wú)補(bǔ)償安裝和有補(bǔ)償安裝；按照是否進(jìn)行預(yù)應(yīng)力可以將其分為冷安裝和預(yù)應(yīng)力安裝。但是在實(shí)際的工程操作中對(duì)于直埋敷設(shè)安裝方式的選擇還是有些混亂。使用不合理的安裝方式容易引起能源、管材的浪費(fèi)或者管路系統(tǒng)潛在的不安全等問(wèn)題。

首先應(yīng)該明確：不同的安裝方式對(duì)應(yīng)著其所能解決的不同的管道失效方式，不同的失效方式所關(guān)注的管道的特征參數(shù)不同。換句話說(shuō)，為了解決一定的管道失效方式，就應(yīng)該對(duì)引起該失效方式的管道的特征參數(shù)進(jìn)行控制與調(diào)整，而管道的特征參數(shù)的取值不同，就形成了不同的直埋敷設(shè)的安裝方式。這也是劃分不同的直埋敷設(shè)安裝方式的原則[8]。

例如：管道的循環(huán)塑性變形破壞是由于管道在運(yùn)行最高溫度T1和最低溫度T2之間進(jìn)行循環(huán)工作時(shí)，管道發(fā)生循環(huán)塑性變形而產(chǎn)生的一種管道失效方式。這種失效方式對(duì)應(yīng)的溫度特征參數(shù)是管道工作循環(huán)最高溫度和循環(huán)最低溫度之差T1+T2。為了避免這種失效方式的產(chǎn)生T1+T2，就應(yīng)該對(duì)進(jìn)行限制，使其小于產(chǎn)生循環(huán)塑性變形的允許溫差。當(dāng)T1+T2不能滿足要求時(shí)，就應(yīng)該采用其他方法來(lái)減小管道的應(yīng)力和應(yīng)變使其滿足要求，即可以對(duì)管道進(jìn)行補(bǔ)償，使管道處于有補(bǔ)償狀態(tài)。從以上的分析可見(jiàn)，管道的有補(bǔ)償安裝方法可以解決管道的循環(huán)塑性變形問(wèn)題，其對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)是T1+T2。而另一種直埋敷設(shè)安裝方式——預(yù)應(yīng)力安裝方式是在管道運(yùn)行前對(duì)管道的受力狀態(tài)進(jìn)行的一種預(yù)處理，即提高管道的整體焊接溫度T0，并沒(méi)有改變管道運(yùn)行的循環(huán)最高溫度T1和循環(huán)最低溫度T2，可見(jiàn)預(yù)應(yīng)力安裝方式不能解決管道的循環(huán)塑性變形失效。

3．對(duì)大直徑管道失效方式的研究有待提高。

管道中發(fā)生不同失效方式的位置和情況都有所不同。直管以及不同的管路附件(直管、三通、彎頭、閥門(mén)等)對(duì)應(yīng)著各自不同的失效方式。而現(xiàn)行的直埋管道受力設(shè)計(jì)方法中只考慮了其中部分的失效方式，是對(duì)小直徑管道等設(shè)計(jì)條件下管道應(yīng)力分析的一種簡(jiǎn)化。例如：《規(guī)程》中對(duì)于直管的受力設(shè)計(jì)只考慮了無(wú)限制塑性變形破壞、整體垂直失穩(wěn)和循環(huán)塑性變形，而沒(méi)有考慮局部失穩(wěn)破壞。對(duì)于大直徑、較高工作壓力的管道，必須考慮管道的局部失穩(wěn)破壞[8]。

隨著直埋管道應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，在實(shí)際的受力設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮大直徑管道受力特點(diǎn)，根據(jù)具體的情況，選擇相應(yīng)的管道失效方式進(jìn)行分析和驗(yàn)算，才能保證管道受力設(shè)計(jì)的合理、工程的運(yùn)行安全。

三 結(jié)論與展望

現(xiàn)有直埋敷設(shè)管道受力設(shè)計(jì)方法的使用范圍存在局限性，管道失效方式計(jì)算也不完全。在許多工程中直埋敷設(shè)的安裝方式混亂不堪，很難選擇比較合理的受力設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)際工程的設(shè)計(jì)?？梢栽谙嚓P(guān)文獻(xiàn)的研究和調(diào)研的基礎(chǔ)上提出一套適合直埋敷設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀的受力設(shè)計(jì)計(jì)算方法。完善現(xiàn)有直埋供熱管道受力計(jì)算方法和開(kāi)發(fā)新的直埋管道受力計(jì)算軟件，來(lái)明確和簡(jiǎn)化直埋敷設(shè)的受力設(shè)計(jì)有著重要經(jīng)濟(jì)和實(shí)用價(jià)值。

[1]Boiler and Pressure Vessel Criterion.America，1971.

[2]王鋼.直埋管道應(yīng)力分析方法及摩擦系數(shù)試驗(yàn)[D].哈爾濱建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文，1992.

[3]唐山市熱力總公司編.城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程(CJJ/T81-98).北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

[4]王飛,張建偉.大口徑預(yù)制直埋供熱管道摩擦系數(shù)變化規(guī)律的研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2007.

[5]段潔儀. 直埋無(wú)補(bǔ)償冷安裝敷設(shè)方式在工程中的應(yīng)用[A].全國(guó)城市供熱直埋保溫管道應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)[C].2006.

[6]王鋼，周衛(wèi)陽(yáng). 豪特耐集中供熱管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[Z].北京豪特耐集中供熱設(shè)備有限公司，2006.

[7]王鋼，賀平譯. 區(qū)域供熱手冊(cè)[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社，1998.

[8]李娜. 供熱直埋敷設(shè)管道受力計(jì)算與分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

DiscussiononHeatingSupplyPipelinesDirectlyBuryingTechnology

Qin Liping

The directly burying technology of heating supply pipelines has been widely used .With the expansion of the heating supply areas and the development of the directly burying technology , new standards of the pipeline stress design and the pipeline construction are required . Technicians are trying their best to explore the new approaches and solutions to accelerate the development of directly burying technology of heating supply pipelines .

large diameter pipeline ; installation method ; disable mode of force-summing

ClassNo.:TU995DocumentMark:A

王 軍 蔡雪嵐)

秦力平，技師，雞西大盛(供熱)集團(tuán)，黑龍江·雞西。郵政編碼：158100

1672-6758(2010)05-0058-2

TU995

A