供熱管道直埋敷設(shè)方式探討

隋樹波，張 偉

（山東華能臨沂發(fā)電有限公司，山東 臨沂 276000）

0 引言

集中供熱相對(duì)眾多分散的小鍋爐，具有環(huán)保、節(jié)能、方便舒適、安全衛(wèi)生、節(jié)約土地、節(jié)約費(fèi)用的優(yōu)勢(shì)，目前已成為現(xiàn)代化城鎮(zhèn)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，是城鎮(zhèn)公共事業(yè)的重要組成部分。隨著城市化發(fā)展進(jìn)程，集中供熱快速發(fā)展，供熱面積不斷擴(kuò)大，對(duì)供熱管道的直埋敷設(shè)技術(shù)要求也越來越高。如何更好的節(jié)約成本，確保管網(wǎng)的運(yùn)行安全成為供熱行業(yè)的重要課題。供熱管道直埋技術(shù)就是將預(yù)制的保溫管道直接埋入地下，利用管道自身的機(jī)械強(qiáng)度及其附件來共同承受管道供熱時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力的一項(xiàng)技術(shù)。經(jīng)過多年的實(shí)踐與發(fā)展，為滿足供熱系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠，同時(shí)盡量減少投資和維護(hù)方便，目前供熱管道存在多種的敷設(shè)方式。本文將通過對(duì)不同的敷設(shè)方式進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，分析探討其優(yōu)缺點(diǎn)。

1 直埋管道破壞的方式

供熱管道的設(shè)計(jì)壓力一般為0.6～2.5 MPa；通過對(duì)管道的應(yīng)力分析，可知其內(nèi)壓力的實(shí)際應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管材的屈服應(yīng)力。由于管道的溫升使管道產(chǎn)生了較大的軸向力和壓應(yīng)力，所以在管道設(shè)計(jì)與選擇中應(yīng)予以充分的重視。熱力管道主要存在以下5種破壞方式：

1）循環(huán)塑性變形。溫度變化對(duì)管道的循環(huán)塑性變形起決定性作用。當(dāng)較大的溫度變化，而熱脹變形又不能完全釋放時(shí)，在加熱過程中，管壁因軸向壓應(yīng)力而產(chǎn)生軸向壓縮塑性變形；而冷卻時(shí)，管壁因軸向拉應(yīng)力而產(chǎn)生軸向拉伸塑性變形；當(dāng)溫差超過一定范圍后，將會(huì)出現(xiàn)管道破壞的現(xiàn)象。

2）低循環(huán)疲勞破壞。應(yīng)力集中通常發(fā)生在管線中的彎頭、三通、大小頭及折角處。在溫度變化過程中，應(yīng)力集中在管道結(jié)構(gòu)不連續(xù)處產(chǎn)生的峰值應(yīng)力，會(huì)引起管道的疲勞破壞。

3）高循環(huán)疲勞破壞。車輛重量通過車輪和土壤，可作用在車行道下的管道上，使管道局部截面產(chǎn)生橢圓變形，相應(yīng)的會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。

4）整體失穩(wěn)。直埋管道在運(yùn)行工況下的軸向壓力最大，由于壓桿效應(yīng)，可能會(huì)引起管線的整體失穩(wěn)。特別是對(duì)于溫升較大的無補(bǔ)償冷安裝方式，溫升作用完全轉(zhuǎn)化為很高的軸向壓力，極易出現(xiàn)整體失穩(wěn)破壞。對(duì)此，CJJ/T104-2005《城鎮(zhèn)直埋供熱管道技術(shù)規(guī)程》中有詳細(xì)的公式計(jì)算，滿足其計(jì)算即可保證DN500以下的管道整體不出現(xiàn)失穩(wěn)情況。

5）局部失穩(wěn)。一方面是管道的軸向應(yīng)變，即熱脹變形的大小和熱脹變形的釋放程度。另一方面從管道局部看，管道屬于薄壁殼體，在軸向壓力作用下，管壁存在受壓局部失穩(wěn)的問題。通過公式計(jì)算表明，局部失穩(wěn)的可能性，隨著管壁的增厚而減小，但隨著鋼管平均半徑增大而增加。因此，一定的覆土深度對(duì)應(yīng)一定的鋼管臨界壁厚。

從以上的5種破壞方式來看，熱力管道的運(yùn)行安全與軸向應(yīng)力有密切的關(guān)系，而軸向應(yīng)力主要取決于溫度應(yīng)力。當(dāng)管道直徑大于DN500時(shí)，局部屈服的可能性大大增加，為了降低局部屈服的可能性，必須對(duì)溫度應(yīng)力進(jìn)行控制，同時(shí)根據(jù)不同的控制方式方法考慮直埋管道的敷設(shè)方式。

2 直埋管道敷設(shè)方式的探討與選擇

以熱源供水溫度為130℃，回水溫度為70℃；安裝的環(huán)境溫度為10℃，管道規(guī)格為Φ1020×10為例，探討比較典型管道的幾種敷設(shè)方式。

2.1 無補(bǔ)償冷安裝方式

無補(bǔ)償冷安裝方式是最簡單最經(jīng)濟(jì)的安裝方式，即管道在覆土前不加預(yù)應(yīng)力，也不設(shè)置補(bǔ)償器。由于土壤摩擦力的存在，管道將存在錨固段、滑動(dòng)段。當(dāng)管道處于錨固段時(shí)，熱脹應(yīng)力全部轉(zhuǎn)化為溫度應(yīng)力，使管道在運(yùn)行工況下承受較高的軸向壓力。所以錨固段管道的最大壓應(yīng)力與最大溫度變化成正比；當(dāng)管道處于滑動(dòng)段時(shí)，熱脹應(yīng)力不能全部轉(zhuǎn)化為溫度應(yīng)力，管道將受熱伸長。管道在無補(bǔ)償冷安裝方式下，其受力及管道伸長情況示意見圖1。

計(jì)算實(shí)例中管道錨固段軸向熱應(yīng)力為

管道局部屈服的軸向臨界應(yīng)力：

式中：σ為軸向熱應(yīng)力，MPa；σer為管道局部屈服的軸向臨界應(yīng)力，MPa；Δt為管道運(yùn)行的最高溫度（t1）與安裝溫度之差 （t0），℃；E為鋼管的彈性模量，MPa；α 為鋼材的線膨脹系數(shù)，m/m.c；δn為鋼管實(shí)際壁厚，mm；Rm為圓筒的平均半徑，mm。

圖1 無補(bǔ)償冷安裝管道運(yùn)行時(shí)的受力及熱伸長示意圖

由計(jì)算得，管道的軸向熱應(yīng)力小于3倍許用應(yīng)力值，但是大于管道的局部屈服軸向臨界應(yīng)力，所以不能滿足局部屈服的條件。因此無補(bǔ)償冷安裝方式由于管壁局部屈服的危險(xiǎn)限定了冷安裝的溫度上限，只有在低于一定溫度條件下采用冷安裝才是安全的。

由（1）、（2）計(jì)算公式推導(dǎo)出：

t1=σ/（E×α）+t0=σer/（E×α）+t0=110 ℃

由此可知在此條件下管道的最高運(yùn)行溫度為110℃。

同時(shí)為滿足管道局部不失穩(wěn)的情況下需校核管道的壁厚

σer=0.0625×E×δn/Rm

所以 Rm＜40.1 δn即 δn＞12.7mm

得出無補(bǔ)償冷安裝對(duì)于大管徑的管道壁厚要求較高。

2.2 敞溝預(yù)熱安裝方式

管道預(yù)熱安裝方式是管道在回填前進(jìn)行預(yù)熱，加熱到預(yù)熱溫度時(shí)進(jìn)行回填。當(dāng)管道運(yùn)行溫度等于預(yù)熱溫度時(shí)，管道應(yīng)力為零，管道運(yùn)行達(dá)到最高溫度時(shí)，管道受到壓應(yīng)力，當(dāng)管道恢復(fù)至環(huán)境溫度時(shí)，管道產(chǎn)生拉應(yīng)力，即產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力效果。敞溝預(yù)熱方式可以節(jié)省預(yù)熱管段的補(bǔ)償器和固定頓，從而減少工程的造價(jià)。

預(yù)熱為管道平均應(yīng)力為零時(shí)的溫度，該溫度稱為循環(huán)中間溫度，以Tm表示。式中：t1為管道運(yùn)行的設(shè)計(jì)供水溫度，℃；t2為管道運(yùn)行的設(shè)計(jì)回水溫度，℃；Tm為循環(huán)中間溫度,℃。

預(yù)熱管道的位移量

式中：ti為預(yù)熱管道的環(huán)境溫度，℃；Tm為預(yù)熱溫度，℃；Lpr為預(yù)熱管道長度，m。

由于管道預(yù)先有了預(yù)應(yīng)力，使管道的最大熱位移小于冷安裝的首次熱位移。

通過計(jì)算預(yù)熱安裝的錨固段的管道最大壓應(yīng)力與最大溫度變化之半成正比：

有此可見預(yù)熱安裝的最大壓應(yīng)力為冷安裝最大壓應(yīng)力的一半，管壁的局部屈服的危險(xiǎn)性降低了，這樣有利于大口徑管道的安裝。但是與無補(bǔ)償冷安裝相同，其管道的最大壓應(yīng)力與最大的溫度變化有關(guān)，所以也存在一個(gè)運(yùn)行的最高溫度值。預(yù)熱安裝管道受力及管道伸長情況示意見圖2。

圖2 預(yù)熱安裝管道受力及管道伸長情況示意

由（1）、（2） 計(jì)算公式推導(dǎo)出：

假定安裝的環(huán)境溫度為10℃，σ取極限值，即3倍許用應(yīng)力值，許用應(yīng)力按照125 MPa計(jì)算。則供熱管道的最高工作溫度為143.6℃；而此時(shí)管道的最大壓應(yīng)力為

所以敞溝預(yù)熱方式對(duì)大管徑或小管徑的供熱管道普遍適用。

同時(shí)為滿足管道局部不失穩(wěn)的情況下需校合管道的壁厚：

所以 Rm＜71δ，即 δ＞0.007 18m

得出，預(yù)熱安裝時(shí)管道的壁厚也比冷安裝的要求較低。

2.3 采用一次性補(bǔ)償器覆土后預(yù)熱

采用一次性補(bǔ)償器覆土后預(yù)熱是將管道分段設(shè)置一次性補(bǔ)償器，管道安裝后可立即回填。在首次加熱過程中，當(dāng)補(bǔ)償管段的熱脹變形量達(dá)到在預(yù)熱溫度下的自由膨脹變形量時(shí)，就可焊接一次性補(bǔ)償器。通過多次的溫度變化，使應(yīng)力均勻分布，從而達(dá)到預(yù)應(yīng)力效果。管道受力情況示意見圖3。

式中：Tdp為計(jì)算管道的預(yù)熱溫度，℃；Tm為循環(huán)中間溫度，℃；Lc為一次性補(bǔ)償器到固定點(diǎn)或駐點(diǎn)的距離,即管道分段長度，m；F為土壤對(duì)管道的摩擦力，N/m；A為鋼管管壁的橫截面積，m2。

覆土后管道初運(yùn)行，工作循環(huán)最高溫度下的最大壓應(yīng)力：

一次性補(bǔ)償器處 δc1=E×α×（T1-Tdp）

管段與一次性補(bǔ)償器相對(duì)應(yīng)的另一端

覆土后管道初運(yùn)行，工作循環(huán)最低溫度下的最大拉應(yīng)力：

一次性補(bǔ)償器處 δd1=E×α×（Tdp-T2）

管段與一次性補(bǔ)償器相對(duì)應(yīng)的另一端

管道內(nèi)應(yīng)力均布后，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力為：

最大拉應(yīng)力 δdmax=E×α×（Tm-T2）

最大壓應(yīng)力 δcmax=E×α×（T1-Tm）

于冷安裝相比，覆土預(yù)熱安裝和敞溝預(yù)熱一樣，管道的應(yīng)力水平下降近一半，因此管壁的屈服危險(xiǎn)性降低了。與敞開式預(yù)熱安裝相比，其不需要敞溝和預(yù)熱，減少了施工過程中的費(fèi)用和施工的難度。

圖3 覆土后預(yù)熱管道受力示意圖

2.4 采用補(bǔ)償器、補(bǔ)償彎和固定墩的敷設(shè)方式

有補(bǔ)償?shù)闹甭穹笤O(shè)，可以采用自然的L、Z、U型的彎管作為補(bǔ)償裝置，但是實(shí)際工程中不可能有條件提供這么大的占地，因此通常都采用補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償。為防止補(bǔ)償器受到單側(cè)不均勻膨脹變形而損壞，所以在補(bǔ)償器一側(cè)設(shè)置固定墩。對(duì)于應(yīng)力集中的彎頭、三通、大小頭等地方設(shè)置固定墩來保護(hù)應(yīng)力集中的管件。

管道系統(tǒng)由于安裝了補(bǔ)償器，使得管道的熱脹應(yīng)力在熱態(tài)運(yùn)行中得到了釋放，避免了部分管線被完全錨固，因此管道的應(yīng)力保持在較低的水平上，也使管壁局部屈服的危險(xiǎn)性最小。管道受力情況示意見圖4。

圖4 有補(bǔ)償管道達(dá)到最高溫度受力分析示意圖

由于增加了固定墩和補(bǔ)償器，管道的熱脹變形在熱態(tài)的時(shí)候得到了充分的釋放，使得整個(gè)管段完全處于滑動(dòng)狀態(tài)。因此管道的應(yīng)力降到最低，管壁的局部屈服的危險(xiǎn)也最小。同時(shí)使得工程的投資相應(yīng)的增加。但是為了減少工程的投資，也可以將供熱管道的供回水管道采取不同的敷設(shè)方式，確保工程的設(shè)計(jì)方案在技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面安全、合理。

3 結(jié)論

通過對(duì)影響管道溫度應(yīng)力的因素分析，對(duì)各種敷設(shè)方式在參數(shù)上作了比較，表1所示。

表1 不同管道敷設(shè)方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

通過表1比較可得出不同安裝方式的優(yōu)缺點(diǎn)，在滿足冷安裝的條件下應(yīng)積極的采用冷安裝方式，但是從管道運(yùn)行安全的角度考慮，對(duì)于大管徑、大溫差的管道應(yīng)采用預(yù)熱的方式及有補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行敷設(shè)。