直埋供熱管道設(shè)計(jì)淺析

吳海棠

【摘 要】為更好地利用《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》指導(dǎo)直埋供熱管道工程設(shè)計(jì)，本文按照規(guī)程的思路框架，結(jié)合實(shí)際工程的設(shè)計(jì)步驟，采用規(guī)程中的簡(jiǎn)化公式，對(duì)實(shí)際直埋供熱管道的應(yīng)力驗(yàn)算、保溫結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】直埋；供熱管道；設(shè)計(jì)；淺析

1.概述

城鎮(zhèn)直埋供熱管道敷設(shè)方式同傳統(tǒng)的地溝敷設(shè)相比具有占地少、施工周期短、維護(hù)量小、壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適合城市建設(shè)的要求，隨著《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱為規(guī)程）的發(fā)布，技術(shù)已經(jīng)很成熟，實(shí)際運(yùn)用也越來越廣泛。

1.1規(guī)程適用條件

本規(guī)程適用于供熱介質(zhì)溫度≤150℃、公稱直徑≤DN500的鋼制內(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。這里對(duì)適用條件提出了兩個(gè)界限，即溫度界限和管徑界限。在規(guī)程總則的條文說明中給出了詳細(xì)的解釋，溫度條件是設(shè)計(jì)熱網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性和安全性的重要參數(shù)，針對(duì)的是預(yù)制保溫管的保溫材料耐溫能力、使用壽命，另外根據(jù)現(xiàn)有理論在強(qiáng)度方面這個(gè)溫度也是安全的；采用管徑界限是因?yàn)橐?guī)程中在強(qiáng)度計(jì)算、管道熱伸長(zhǎng)計(jì)算中對(duì)荷載做了簡(jiǎn)化，對(duì)小管徑誤差不大，對(duì)大管徑而言計(jì)算結(jié)果會(huì)有較大偏差，是不安全的。在使用本規(guī)程時(shí)必須滿足其適用條件。

1.2直埋敷設(shè)方式

直埋敷設(shè)分有補(bǔ)償敷設(shè)和無補(bǔ)償敷設(shè)兩種。無補(bǔ)償敷設(shè)具有投資省、工期短和施工簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)；有補(bǔ)償敷設(shè)相對(duì)于無補(bǔ)償敷設(shè)來說，投資較大、占地較多、工期較長(zhǎng)、施工較復(fù)雜。因此在滿足管網(wǎng)安全的前提下，要優(yōu)先采用無補(bǔ)償敷設(shè)方式，近幾年來在工程實(shí)踐中應(yīng)用的越來越多。

1.3管網(wǎng)的布置與敷設(shè)

在確定了各單體建筑的入口之后，結(jié)合管網(wǎng)綜合圖來布置管線，滿足熱力管道與其他管線的間距要求。管網(wǎng)的其他要求如管道覆土深度、排氣泄水、分支管三通彎頭的保護(hù)、閥門附件的要求等詳見規(guī)程中的具體要求。

2.管道應(yīng)力驗(yàn)算

規(guī)程中明確提出，應(yīng)力驗(yàn)算采用目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的應(yīng)力分類法。應(yīng)力分類法是將管道上的應(yīng)力分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力三類，并采用相應(yīng)的應(yīng)力驗(yàn)算條件。

一次應(yīng)力：是由管道內(nèi)壓及持續(xù)外載產(chǎn)生的應(yīng)力（力作用）。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到甚至超過屈服極限時(shí)，管道將產(chǎn)生較大變形甚至破壞。這種應(yīng)力是非自限性的，應(yīng)力驗(yàn)算采用彈性分析或極限分析。

二次應(yīng)力：是由于管道熱脹冷縮等變形受約束而產(chǎn)生的應(yīng)力（位移作用）。當(dāng)部分材料超過屈服極限時(shí)，由于產(chǎn)生小量的塑性變形，變形協(xié)調(diào)得到滿足，變形就不再繼續(xù)發(fā)展。它具有自限的特點(diǎn)，采用安定性分析。

峰值應(yīng)力：指管道或附件（如三通等）由于局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)或局部熱應(yīng)力效應(yīng)而產(chǎn)生的應(yīng)力增量。它的特點(diǎn)是不引起顯著的變形，是一種導(dǎo)致疲勞裂紋或脆性破壞的可能原因，必須根據(jù)管道整個(gè)使用期限所受的循環(huán)荷載進(jìn)行疲勞分析。但對(duì)低循環(huán)次數(shù)的供熱管道，對(duì)在管道上出現(xiàn)峰值應(yīng)力的三通、彎頭等局部應(yīng)力集中處，可采用簡(jiǎn)化公式，計(jì)入應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。

在計(jì)算中，直埋供熱管道的一次應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力不應(yīng)大于鋼材在計(jì)算溫度下的基本許用應(yīng)力[б]；二次應(yīng)力及一次應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力變化范圍不應(yīng)大于鋼材在計(jì)算溫度下基本許用應(yīng)力[б]的三倍；管道局部應(yīng)力集中部位的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力變化幅度不應(yīng)大于鋼材在計(jì)算溫度下基本許用應(yīng)力[б]的三倍。

根據(jù)安定性理論，當(dāng)直管段的當(dāng)量應(yīng)力變化范圍滿足下列表達(dá)式的要求時(shí)，管系中允許有錨固段存在：

бj=（1-v）бt-αE（t2-t1）≤3[б] （1）

式中бj——內(nèi)壓、熱脹應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力變化范圍，MPa；

v——鋼材的泊松系數(shù)；

бt——管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力，MPa；

α——鋼材的線膨脹系數(shù)，m/m？℃；

E——鋼材的彈性模量，MPa；

t2——管道工作循環(huán)最低溫度，℃；

t1——管道工作循環(huán)最高溫度，℃；

[σ]——鋼材在計(jì)算溫度下的基本許用應(yīng)力，MPa。

例如：當(dāng)t1=115℃、t2=10℃、管道設(shè)計(jì)壓力P=1.4MPa時(shí)，Φ529×9管道和Φ89×3.5管道的當(dāng)量應(yīng)力變化范圍分別為285.84MPa和267.68MPa，而Q235-A鋼管的基本許用應(yīng)力的三倍為375MPa。因此，滿足這個(gè)驗(yàn)算條件的直管段在布置時(shí)的長(zhǎng)度是不受限制的，也就是允許管道存在錨固段，即完全可以無補(bǔ)償。當(dāng)不能滿足這個(gè)驗(yàn)算條件時(shí)，則管道必須全部布置成過渡段，過渡段的最大允許長(zhǎng)度按規(guī)程的相關(guān)公式計(jì)算，此時(shí)管網(wǎng)采用有補(bǔ)償敷設(shè)方式。

3.直埋供熱管道保溫結(jié)構(gòu)及性能

直埋供熱管道由鋼制內(nèi)管、保溫層和保護(hù)外殼結(jié)合為一體，保溫層和保護(hù)外殼組成保溫結(jié)構(gòu)。

直埋供熱管道保溫結(jié)構(gòu)除具有管道保溫的功能外，還具有傳遞力、抵抗土壤壓迫的功能。保溫層和外殼必須具有足夠的強(qiáng)度以克服土壤對(duì)管殼在管道徑向產(chǎn)生的壓力和管道在土壤中橫向位移時(shí)土壤對(duì)管殼的擠壓，保證保溫結(jié)構(gòu)形狀完整，因此規(guī)程中要求保溫層的抗壓強(qiáng)度≥200kPa。

外殼、保溫層和鋼管相互之間的粘結(jié)強(qiáng)度也是保證保溫結(jié)構(gòu)完整所必須的。直埋供熱管道的保溫層需要能傳遞剪切力，以克服管道軸向位移時(shí)土壤對(duì)管道外殼的摩擦力。單位長(zhǎng)度直埋敷設(shè)預(yù)制保溫管的外殼與土壤之間的摩擦力，按下式計(jì)算：

F=πρgμ（H+Dc/2）Dc （2）

式中F——軸線方向每米管道的摩擦力，N/m；

ρ——土壤密度，kg/m3；

g——重力加速度，9.81m2/s；

μ——土壤與管殼之間摩擦系數(shù)；

H——管頂覆土深度，當(dāng)H>1.5m時(shí)，取1.5m；

Dc——管外殼直徑，mm。

外殼與保溫層粘結(jié)的牢固程度以及保溫層與內(nèi)鋼管粘結(jié)的牢固程度都應(yīng)證傳遞軸向剪切力，其剪切強(qiáng)度為：

τ=Fmax/πDc=ρgμmax（H+Dc/2） （3）

式中Fmax——土壤與管殼最大摩擦力，N/m；

μmax——土壤與管殼之間最大摩擦系數(shù)。

例如：對(duì)DN20保溫管保溫層與內(nèi)鋼管表面粘結(jié)抗剪強(qiáng)度必須大于37.2kPa。對(duì)于DN500保溫管外殼與內(nèi)保溫層粘結(jié)抗剪強(qiáng)度要大于13.6kPa。因此，規(guī)程中要求直埋供熱管道的保溫層剪切強(qiáng)度（含與內(nèi)管和外殼粘結(jié)≥120kPa。

4.總結(jié)

（1）在實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)條件對(duì)直管段進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算，來確定是否可采用無補(bǔ)償敷設(shè)。

（2）直埋供熱管道應(yīng)有足夠的強(qiáng)度并與鋼管粘結(jié)為一體，其抗壓、剪切強(qiáng)度必須滿足規(guī)程要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程.（CJJ/T 81-98）.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

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[3]王致祥等.管道應(yīng)力分析與計(jì)算[M].北京：水利電力出版社，1983.