淺談城鎮(zhèn)直埋供熱管道的設(shè)計施工

吳江山

（黑龍江省農(nóng)墾寶泉嶺管理局建筑設(shè)計院，黑龍江 蘿北 154211）

1 直埋管道管材的選擇

根據(jù)輸送介質(zhì)的技術(shù)要求，供熱鋼管可分別采用有縫鋼管、無縫鋼管、雙面埋弧螺旋焊接鋼管。直埋的熱力管道內(nèi)壓一般都很低，由內(nèi)壓引起的應(yīng)力不足允許值的50%。發(fā)生直接爆破破壞的可能性非常小，破壞的最大可能是由溫度應(yīng)力引起的塑性疲勞破壞。因此，在選擇管材時，應(yīng)主要從抗疲勞性能來考慮。這就要求選擇塑性比較好、易焊接的材質(zhì)，一般10#、20#鋼較為適宜。軸向溫度應(yīng)力與管壁橫截面積的大小無關(guān)，增加壁厚并不能降低管壁內(nèi)的軸向應(yīng)力。相反，它可能增加對固定墩的推力和過渡段的熱伸長量。因此，管壁應(yīng)盡可能選擇較合適的規(guī)格厚度。

2 直埋管道的布置

直埋供熱管道的布置應(yīng)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《城市熱力網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。管道布置的合理與否直接影響到管道的敷設(shè)方式。熱力網(wǎng)的布置應(yīng)在城市建設(shè)規(guī)劃的指導(dǎo)下，考慮熱負荷的分布，熱源的位置，與各種地上、地下管線及構(gòu)筑物、園林綠地的關(guān)系等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較來確定。

3 直埋管道的敷設(shè)

直埋供熱管道的敷設(shè)方式按照長直管段是否允許出現(xiàn)無補償管段可分為兩大類：有補償敷設(shè)和無補償敷設(shè)。有補償敷設(shè)可用于各種供熱系統(tǒng)，而無補償敷設(shè)是有必要條件的，即使采用預(yù)熱安裝也是如此。在直埋管道敷設(shè)時需注意的要點：管道盡可利用轉(zhuǎn)角自然補償。從干管直接引出分支管時，在分支管上應(yīng)設(shè)固定墩或軸向補償器或彎管補償器。三通、彎頭等應(yīng)力比較集中的部位，應(yīng)進行驗算，驗算不通過時可采取設(shè)固定墩或補償器等保護措施。當(dāng)需要減少管道軸向力時，可采取設(shè)置補償器或?qū)艿肋M行預(yù)處理等措施。當(dāng)?shù)鼗浻膊灰恢聲r，應(yīng)對地基做過渡處理。埋地固定墩處應(yīng)采取可靠的防腐措施，鋼管、鋼架不應(yīng)該裸露。軸向補償器和管道軸線應(yīng)一致，距補償器12m范圍內(nèi)管段不應(yīng)有變坡和轉(zhuǎn)角。

4 直埋管道的作用及應(yīng)力特點

直埋供熱管道的安全性取決于管道中的應(yīng)力大小，而應(yīng)力的大小又取決于作用于管道的荷載，在直埋供熱管道中，荷載包括主動荷載和被動荷載。不同類型的荷載，使管道產(chǎn)生不同性質(zhì)的應(yīng)力，進一步可能導(dǎo)致不同方式的破壞。溫度和壓力是熱力管道上最主要的兩種作用荷載。對于直埋管道，還有軸向位移產(chǎn)生的土壤軸向摩擦力和側(cè)向位移產(chǎn)生的土壤側(cè)向壓縮反力。另外，在管道局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)處會產(chǎn)生應(yīng)力集中，對應(yīng)的應(yīng)力稱為峰值應(yīng)力。峰值應(yīng)力不會引起顯著的變形。但循環(huán)變化的峰值應(yīng)力，也會造成鋼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷，導(dǎo)致管道疲勞破壞。管道在彎頭、三通處產(chǎn)生的應(yīng)力屬于峰值應(yīng)力。由于土壤的均勻支撐，管道的自重沒有產(chǎn)生自重彎曲應(yīng)力，故一般忽略不計。但是對于熱網(wǎng)中常用的管道，其公稱壁厚要遠遠大于該壓力所需的設(shè)計壁厚，內(nèi)壓產(chǎn)生的實際應(yīng)力也就遠遠小于管材的屈服應(yīng)力。相反，由于管道中熱脹變形不能完全釋放，使管道產(chǎn)生了較大的軸向壓力和壓應(yīng)力，其中軸向壓應(yīng)力可能與屈服應(yīng)力處于同一數(shù)量級上。因此，在直埋敷設(shè)熱力管道中，內(nèi)壓的影響較小，管道產(chǎn)生爆裂的可能性很小，而溫度的影響則較大，因此，直埋供熱管道能否安全運行的至關(guān)重要的因素是熱應(yīng)力的大小。

5 防止直埋管道破壞的方法

5.1 防止循環(huán)塑性破壞

管道溫度在管道工作循環(huán)最高溫度與最低溫度問變化時，所產(chǎn)生的應(yīng)力變化是循環(huán)塑性破壞的起因。無論是錨固狀態(tài)的管道，還是滑動狀態(tài)的管道，應(yīng)力變化都與安裝溫度無關(guān)，故預(yù)應(yīng)力安裝不解決冷安裝的循環(huán)塑性破壞的問題。當(dāng)錨固狀態(tài)的直管段滿足不產(chǎn)生循環(huán)塑性破壞的安定性條件時，錨固狀態(tài)的管道允許存在，該直管段可以采用無補償安裝方式，當(dāng)然包括了無補償冷安裝方式。否則，應(yīng)在該直管段設(shè)置補償裝置，并通過調(diào)整補償裝置間距，控制管段上的應(yīng)力變化，使之不產(chǎn)生循環(huán)塑性破壞，這時，該直管段就變成有補償安裝方式。

5.2 防止疲勞破壞

疲勞破壞是指管道的局部地方由于應(yīng)力集中引起的局部循環(huán)塑性變形導(dǎo)致的局部破壞。直埋供熱管道的彎頭、折角、變徑及三通等管件處都會產(chǎn)生應(yīng)力集中。在溫度和壓力變化過程中，應(yīng)力集中引起的峰值應(yīng)力，將在很小的局部范圍內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)塑性變形，導(dǎo)致了疲勞破壞。疲勞破壞也與應(yīng)力變化有關(guān)，峰值應(yīng)力的變化范圍越大，疲勞破壞所經(jīng)歷的時間越短，表現(xiàn)為局部開裂、漏水等。防止疲勞破壞主要是采用固定墩加固和補償器補償?shù)姆绞浇鉀Q。

5.3 防止失穩(wěn)破壞

在進行直埋供熱管道設(shè)計時，除考慮循環(huán)塑性破壞外，還要考慮穩(wěn)定性問題。管道溫度從安裝溫度升高到管道工作循環(huán)最高溫度時，所產(chǎn)生的升溫軸向壓力是整體失穩(wěn)破壞的起因。在冷安裝條件下，錨固的直管段滿足穩(wěn)定性條件時，該直管段可采用無補償冷安裝方式。一般地講，供水溫度不高于130℃、管徑不大于DN500的熱網(wǎng)，采用無補償冷安裝方式都能保證不出現(xiàn)循環(huán)塑性破壞；當(dāng)埋深在1米以下時，還能保證不出現(xiàn)整體失穩(wěn)。由于一般的熱網(wǎng)都可滿足上述條件，故從直管段強度的角度，采用無補償冷安裝方式是沒有問題的。但是，從保護三通、彎頭、折角、大小頭和閥門等薄弱部件以及減小固定墩推力的角度，有時在局部管段還要采用設(shè)置補償裝置的有補償安裝方式。至于預(yù)應(yīng)力安裝方式，由于只能解決穩(wěn)定性的問題，而通過增加覆土深度或設(shè)置補償裝置解決穩(wěn)定性問題，通常會更經(jīng)濟一些。

6 直埋供熱管道的施工安裝

直埋管道中的應(yīng)力是熱脹變形不能完全釋放而產(chǎn)生的。因此，通過選擇不同的安裝方式，可以改變熱脹變形的大小和變形的釋放程度，進而改變管道的應(yīng)力水平。熱脹變形的大小與零應(yīng)力狀態(tài)對應(yīng)的溫度有關(guān)，零應(yīng)力狀態(tài)溫度的提高，可降低熱脹變形的大小。根據(jù)此溫度是否等于安裝時的環(huán)境溫度，管道可分為兩種。冷安裝：零應(yīng)力狀態(tài)對應(yīng)的溫度等于安裝時的環(huán)境溫度。預(yù)應(yīng)力安裝：零應(yīng)力狀態(tài)對應(yīng)的溫度等于預(yù)熱溫度。根據(jù)熱脹變形能否釋放，管道又可分為兩種。無補償安裝：兩固定墩之間或遠離補償裝置而處于錨固狀態(tài)的管道(錨固段)，其熱脹變形不能被補償裝置所吸收。有補償安裝：補償裝置附近處于滑動狀態(tài)的管道(滑動段)，其熱脹變形能被補償裝置所吸收。

總之，城鎮(zhèn)供熱管道采用預(yù)制保溫管直埋敷設(shè)，具有顯著的社會效益、經(jīng)濟效益、節(jié)能效益。對供熱管網(wǎng)直埋敷設(shè)設(shè)計與施工的研究，是供熱管網(wǎng)能夠安全的運行，增加使用壽命，降低供熱成本，提高經(jīng)濟效益的理論支持，更是城鎮(zhèn)集中供熱管網(wǎng)直埋敷設(shè)得以廣泛使用和推廣的有力保證。

[1]王飛，張建偉.直埋供熱管道工程設(shè)計[M].中國建筑工業(yè)出版社.2006.

[2]CJJ34-2002，城市熱力網(wǎng)設(shè)計規(guī)范[S].