直埋供熱管道直管段最大過渡段長(zhǎng)度的影響因素

王興華，成紅娟

（1.蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

隨著基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，直埋熱力管道敷設(shè)方式在城市集中供熱項(xiàng)目中得到大量應(yīng)用，而確定直埋供熱管道是處于錨固段還是過渡段對(duì)管道應(yīng)力分析顯得尤為重要，直管段最大過渡段長(zhǎng)度是確定直埋管道錨固點(diǎn)位置、計(jì)算管道熱伸長(zhǎng)量的重要依據(jù)。文章采用應(yīng)力分類法[1～3]從管道規(guī)格、管頂覆土深度、運(yùn)行條件等方面分析各因素對(duì)直管段最大過渡段長(zhǎng)度的影響，以便為直埋供熱管道的設(shè)計(jì)工作提供參考和指導(dǎo)。

1 計(jì)算方法

1.1 鋼材的許用應(yīng)力

式中：[σ]為鋼材的許用應(yīng)力（MPa），取上述兩式計(jì)算較小值；σb為鋼材的抗拉強(qiáng)度最小值（MPa）；σs為鋼材的屈服極限最小值（MPa）。

1.2 管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力

式中：σt為管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力（MPa）；Pd為管道計(jì)算壓力（MPa）；Di為工作管內(nèi)徑（m）；δ為工作管公稱壁厚（m）。

1.3 工作管的屈服溫差

式中：△Ty為工作管屈服溫差（℃）；n為屈服極限增強(qiáng)系數(shù)，取1.3；v為鋼材的泊松系數(shù)，取0.3；α為鋼材的線膨脹系數(shù)[m/（m·℃）]；E為鋼材的彈性模量（MPa）。

1.4 土壤應(yīng)力（管道中心線位于地下水位以上）

式中：σV為管道中心線處土壤應(yīng)力（Pa）；ρ為土壤密度（kg/m3），可取 1800kg/m3；g 為重力加速度（m/s2）；H為管道中心線覆土深度。

1.5 單位長(zhǎng)度最小摩擦力

式中：Fmin為單位長(zhǎng)度最小摩擦力（N/m）；μmin為最小摩擦系數(shù)，中砂可取0.20；Dc為外護(hù)管外徑（m）；G為包括介質(zhì)在內(nèi)的保溫管單位長(zhǎng)度自重（N/m）；ρ為土壤密度（kg/m3），可取 1800kg/m3；K0為土壤靜壓力系數(shù)；Φ為回填土內(nèi)摩擦角（°），沙土可取30°。

1.6 直管段過渡段最大長(zhǎng)度

式中：Lmax為直管段的過渡段最大長(zhǎng)度（m）；α為鋼材的線膨脹系數(shù) [m/（m·℃）]；E為鋼材的彈性模量（MPa）；t1為管道工作循環(huán)最高溫度（℃）；t0為管道計(jì)算安裝溫度（℃）；v為鋼材的泊松系數(shù)，取0.3；σt為管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力（MPa）；A為工作管管壁的橫截面積（m2）；△Ty為工作管屈服溫差（℃）。

2 影響因素分析

供熱管網(wǎng)選用高密度聚乙烯聚氨酯預(yù)制直埋保溫管[3]，鋼管材質(zhì)為Q235B。鋼材的抗拉強(qiáng)度最小值 σb為 375MPa；鋼材的屈服極限最小值 σs為235MPa，鋼材的許用應(yīng)力[σ]為 125MPa，鋼材的彈性模量E為19.8×104MPa；鋼材的線膨脹系數(shù)α為12.4×10-6m/（m·℃ ）。選取公稱直徑為 DN400、DN800、DN1000、DN1200的直埋供熱管道進(jìn)行計(jì)算分析，規(guī)格參數(shù)詳表1。

表1 直埋供熱管道規(guī)格表

2.1 管頂覆土深度的影響

在管道工作循環(huán)最高溫度t1為130℃、管道計(jì)算安裝溫度t0為10℃的前提下，分別計(jì)算管頂覆土深度1.3～2.5m時(shí)四種規(guī)格供熱管道的直管段過渡段最大長(zhǎng)度，如圖1所示。

圖1 管頂覆土深度對(duì)直管段最大過渡段長(zhǎng)度的影響

在相同管道覆土深度條件下，四種規(guī)格直埋供熱管道直管段最大過渡段長(zhǎng)度的大小關(guān)系為DN1200＞DN1000＞DN800＞DN400； 這是由于隨著管徑的增大，包括介質(zhì)在內(nèi)的保溫管單位長(zhǎng)度自重和管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力增大，從而使得單位長(zhǎng)度最小摩擦力增大，導(dǎo)致在相同條件下直管段最大過渡段長(zhǎng)度隨著管徑的增大而變短。隨著管頂覆土深度的增加，四種規(guī)格直埋供熱管道的直管段最大過渡段長(zhǎng)度均減小，這是由于隨著管頂覆土深度的增加，土壤應(yīng)力增大，使得單位長(zhǎng)度最小摩擦力增大，導(dǎo)致同一規(guī)格直埋供熱管道的直管段最大過渡段長(zhǎng)度隨著管頂覆土深度的增加而變短。

2.2 管道工作循環(huán)最高溫度的影響

在管道計(jì)算安裝溫度t0為10℃、管頂覆土深度為1.5m的前提下，分別計(jì)算管道工作循環(huán)最高溫度t1為70℃～130℃時(shí)四種規(guī)格供熱管道的直管段過渡段最大長(zhǎng)度，如圖2所示。

圖2 管道工作循環(huán)最高溫度對(duì)直管段最大過渡段長(zhǎng)度的影響

在相同管道工作最高循環(huán)溫度條件下，四種規(guī)格直埋供熱管道直管段最大過渡段長(zhǎng)度的大小關(guān)系為 DN1200＞DN1000＞DN800＞DN400。隨著管道工作最高循環(huán)溫度的升高，四種規(guī)格直埋供熱管道的直管段最大過渡段長(zhǎng)度均增加，這是由于隨著管道工作最高循環(huán)溫度的升高的升高，管道工作最高循環(huán)溫度與管道計(jì)算安裝溫度的溫差不斷增大，在其他條件不發(fā)生變化的情況下，使得同一規(guī)格直埋供熱管道的直管段最大過渡段長(zhǎng)度隨著管道工作最高循環(huán)溫度的升高而變長(zhǎng)。在管道工作最高循環(huán)溫度≥115℃時(shí)，四種規(guī)格直埋供熱管道直管段最大過渡段長(zhǎng)度均不再隨著管道工作最高循環(huán)溫度的增大而發(fā)生變化，這是由于管道工作循環(huán)最高溫度與管道計(jì)算安裝溫度的溫差已大于工作管屈服溫差△Ty，均以工作管屈服溫差代替管道工作循環(huán)最高溫度與管道計(jì)算安裝溫度的溫差計(jì)算直管段最大過渡段長(zhǎng)度。

3 結(jié)論及建議

直埋供熱管道直管段最大過渡段長(zhǎng)度受管道規(guī)格（工作管內(nèi)徑、公稱壁厚、外護(hù)管外徑）、管頂覆土深度、管道計(jì)算安裝溫度以及管道工作條件（計(jì)算壓力、循環(huán)最高溫度）等因素的綜合影響。在直埋供熱管道設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，首先應(yīng)落實(shí)熱源廠提供的熱源溫度和壓力，合理確定直埋供熱管道的規(guī)格；然后根據(jù)供熱管網(wǎng)規(guī)劃路由、管位以及現(xiàn)有其他管道敷設(shè)情況，合理確定管頂覆土深度。只有綜合考慮各種因素的影響，確定供熱管道的直管段最大過渡段長(zhǎng)度，合理布置補(bǔ)償器和固定墩，降低初投資，保證直埋供熱管道安全、可靠運(yùn)行。