地埋電纜保護(hù)管受力分析及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

國(guó)網(wǎng)杭州供電公司 夏 衍 杭州電力設(shè)備制造有限公司臨安恒信成套電氣制造分公司 張教練 國(guó)網(wǎng)杭州市臨安區(qū)供電公司 呂 華 金旻昊

1 電纜保護(hù)管敷設(shè)

1.1 電纜線路的敷設(shè)種類

直埋敷設(shè)。特點(diǎn)為施工簡(jiǎn)易，不需要考慮太多其他因素，只需將管道直接埋進(jìn)土壤，相對(duì)其它較多工藝手段的敷設(shè)方式而言，其散熱性更好，因?yàn)椴考褂蒙傧纳?，其投資也相對(duì)較少，但有利有弊，因?yàn)橹甭穹笤O(shè)直接將管道埋于土壤，管道接受土壤的腐蝕和刺激也最為嚴(yán)重[1]，為后期檢修增加了很多困難，而且伴隨外界機(jī)械損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

電纜隧道敷設(shè)。能夠容納大量的電纜，且在后期的敷設(shè)、檢修、更換電纜中更加方便，適用于長(zhǎng)期使用電纜的工程中，如進(jìn)出線電纜在20根以上的大型電廠、城市道路等場(chǎng)合，但相對(duì)應(yīng)的，電纜隧道輻射投資大，需要大量金錢、人力、物力的投入，耗材耗物資較多，運(yùn)輸不易且費(fèi)用高，因?yàn)楣こ梯^大，尤其需要注意火、燃?xì)獾确矫娴陌踩[患，尤需加強(qiáng)安全措施。

穿管敷設(shè)。本文中著重論述的“電纜保護(hù)管敷設(shè)”，該方式集前兩種敷設(shè)方式所長(zhǎng)，不僅具備施工操作簡(jiǎn)單和投資消耗少方面的優(yōu)勢(shì)，又兼具檢修方便、容易維修和保護(hù)的優(yōu)勢(shì)，因此電纜保護(hù)管的需求量隨著電力的發(fā)展與日俱增，科研人員也在不斷探索不同電纜保護(hù)管之間的差異和所適用方向，以求更好的應(yīng)用電纜保護(hù)管對(duì)電纜線路起到保護(hù)作用，為電力的發(fā)展提供有利的“后勤保障”。

1.2 電纜保護(hù)管的種類

從廣泛意義上劃分，電纜保護(hù)管依據(jù)適用場(chǎng)合分為A、B、C 三大類，其中A 類主要適用于城鄉(xiāng)中電力電纜的建設(shè)、工業(yè)園區(qū)電纜工程地下電纜保護(hù)管以及交通路橋；B 類主要適用于人行道河路畫袋等非機(jī)動(dòng)車道的直埋敷設(shè)中，本文就以此為例展開調(diào)查研究實(shí)驗(yàn)，當(dāng)然也可用于重載車輛通過(guò)的機(jī)動(dòng)車混凝土敷設(shè)中；而C 類的電纜保護(hù)管主要用于高速公路部分重載車輛通過(guò)的路段和一、二級(jí)公路。

依據(jù)材質(zhì)劃分可分為以下幾大類，第一類是有機(jī)高分子材料電纜保護(hù)管——碳素波紋管、PVC 等，相較于其它普通的聚乙烯管材，碳素波紋管以高密度聚乙烯和改性碳素兩者為主要材料，在提升強(qiáng)度、耐腐蝕性、抗老化的同時(shí)，將密度控制在1.0g/cm3以下，與其名字相符合，它的質(zhì)量較輕且呈現(xiàn)波紋狀結(jié)構(gòu)，該構(gòu)型特點(diǎn)使其能夠延展成任意長(zhǎng)度，在不同工作件之間能夠做到無(wú)縫銜接，除了較高的熱膨脹系數(shù)外兼具良好的防水性能，但應(yīng)當(dāng)注意在長(zhǎng)期高溫的狀態(tài)下，碳素波紋管的各個(gè)方面性能都會(huì)有所降低；PVC 管的主要原料與碳素波紋管不同，它是以聚氯乙烯為原材料，同時(shí)添加許多其它成分的填料，經(jīng)過(guò)多道工序擠壓、鍛造而成的管材，根據(jù)管材的結(jié)構(gòu)可以劃分為普通管和雙壁波紋管，但無(wú)論是哪種形式的PVC 管，均具有管壁外側(cè)光滑的特點(diǎn)，該特點(diǎn)使其在穿管敷設(shè)時(shí)很好地保護(hù)了電纜，當(dāng)施工中需要多次穿管敷設(shè)時(shí)，或者大量穿管敷設(shè)任務(wù)時(shí)，可以采用質(zhì)量輕便且易運(yùn)輸?shù)腜VC 管[2]。

第二類是由金屬材料構(gòu)成的電纜保護(hù)管——涂塑鋼管和鍍鋅鋼管等。以涂塑鋼管為例，涂塑鋼管的本質(zhì)是一種由普通鋼管經(jīng)過(guò)涂塑工藝而制成的新型管材，可謂是舊瓶裝新酒，在其“更新?lián)Q代”的過(guò)程中保留了鋼管本身具有的優(yōu)良機(jī)械性能，以及與熱有關(guān)的良好的耐熱、散熱性能，在提升長(zhǎng)處的同時(shí)遏制了短處——不耐腐蝕，也因?yàn)橥克茕摴艿膸状髢?yōu)勢(shì)需要通過(guò)多道工序加成，它的造價(jià)稱得上是幾個(gè)中較高的，一般不被用于單芯電纜的穿管中。

第三類和第四類分別是由樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為主要原材料和以水泥基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為主要原材料的——玻璃鋼管、維綸水泥管、低摩擦纖維水泥管，其中玻璃鋼管綜合上述幾個(gè)鋼管的優(yōu)點(diǎn)，是由多種成分組成的有機(jī)化合物，但主要的是，組成成分的種類或含量不同時(shí)，所形成的玻璃鋼管的性能也會(huì)有或多或少的區(qū)別，在制作時(shí)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格掌握好材料的成分和比例，使用時(shí)也應(yīng)仔細(xì)閱讀玻璃鋼管的成分表，以免使用不適宜的玻璃鋼管造成不必要的工程隱患，尤其是制作失敗的玻璃鋼管會(huì)兼具無(wú)機(jī)和有機(jī)材料的共同缺點(diǎn)，對(duì)電纜的保護(hù)有著致命的打擊。而低摩擦纖維水泥管采用一種特殊的抄取工藝，經(jīng)過(guò)加壓卷制而成，它的主要基材是一種無(wú)極水硬性水泥材料，介于水泥的特性，它能夠有效地防止不同程度酸、堿、鹽的腐蝕，大大減輕了后期復(fù)查維修的負(fù)擔(dān)，在耐熱、防火、防水等方面也表現(xiàn)優(yōu)良，但由于它的本質(zhì)仍屬于剛性材料，所以在運(yùn)輸方面較為麻煩，又因其重量基數(shù)較大，工人在裝卸時(shí)也會(huì)是一個(gè)難題。

1.3 電纜保護(hù)管敷設(shè)要求

電纜保護(hù)管雖然主要起保護(hù)作用，但是對(duì)其外觀也是有著一定的要求的，因?yàn)殡娎|保護(hù)管作用的根本機(jī)理是通過(guò)減少電纜與管道內(nèi)壁之間的摩擦起到良好的保護(hù)作用，所以其內(nèi)外表面需要做到?jīng)]有粘塊和裂紋。不僅如此，還應(yīng)當(dāng)在一定程度上保證電纜保護(hù)管的內(nèi)外表面沒(méi)有明顯的傷痕。此外，在電纜保護(hù)管的長(zhǎng)度、橢圓度、抗外壓載荷、抗折載荷、彎曲長(zhǎng)度等都有著明確的規(guī)定。由于鋪設(shè)不易的緣故，常規(guī)電纜保護(hù)管應(yīng)當(dāng)保證至少在100年期限中不會(huì)腐蝕或者出現(xiàn)變形、粉化等影響電纜正常操作的情況出現(xiàn)?？紤]到地理因素，不同地域天氣的變化程度不同，選用電纜保護(hù)管規(guī)格時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到耐凍性和耐熱性，常見規(guī)格下應(yīng)保持反復(fù)25次交替凍融無(wú)起層和龜裂，其他方面的指標(biāo)嚴(yán)格參照國(guó)家設(shè)置的規(guī)定。

1.4 電纜保護(hù)管的性能參數(shù)

碳素波紋管、PVC 管、涂塑鋼管、玻璃鋼管、低磨擦纖維水泥管的主要性能參數(shù)為：密度（g·cm-3）0.96/1.40/7.85/1.8/2.0、線膨脹系數(shù)（10-6K-1）150/80/12/18/14、抗拉強(qiáng)度（MPa）21/55/560 /160/30、抗壓強(qiáng)度（MPa）10/80/410/80/100、熱變形溫度（℃）82/85/-/160/-、氧指數(shù)-/19/45/-/31、內(nèi)壁滑動(dòng)磨擦系數(shù)29.4/0.38/0.35/0.33/0.28、熱阻系數(shù)-/7.9/0.02/1.8/0.91、每米管能量消耗因子25/25/100/-/12。

1.5 電纜保護(hù)管的工作特點(diǎn)

電纜保護(hù)管采取抄取的工藝制成，以維綸纖維為原料，具備維綸纖維水泥電纜管的優(yōu)良性能。由于電纜保護(hù)管管壁摩擦因數(shù)較小，在使用時(shí)與電纜間的摩擦系數(shù)低，方便電纜穿過(guò)，不易損壞電纜、造成不必要的摩擦損失。載流量高是電纜保護(hù)管的一大主要特征，同時(shí)絕大部分電纜保護(hù)管的熱阻系數(shù)都較低，使其工作效果保持良好的狀態(tài)，能夠維持較長(zhǎng)工作時(shí)間。在使用電纜保護(hù)管后，隨著被加長(zhǎng)的井距工井?dāng)?shù)量不斷減少，在很大程度上降低了工程所需成本。

2 地埋電纜保護(hù)管的受力分析

2.1 有限元分析模型

2.1.1 有限元分析法

有限元分析(FEA，F(xiàn)inite Element Analysis)，簡(jiǎn)言之是一種數(shù)學(xué)近似的方法，取物理構(gòu)型中的一元，借助個(gè)例及某一微小單元的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)推測(cè)出整體的檢驗(yàn)結(jié)果，即從有限到無(wú)限，類似物理學(xué)習(xí)過(guò)程中用到的微元法思想[3]。該方法能夠有效的將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，可以適用以各種各樣看似復(fù)雜且無(wú)從下手的工程模型中，成為結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算應(yīng)用價(jià)值很高的一種計(jì)算手段，本文就運(yùn)用“有限元分析法”的方式將電纜保護(hù)管微小化，截取電纜保護(hù)管的一個(gè)截面來(lái)對(duì)其進(jìn)行受力分析，并結(jié)合生活中的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和實(shí)物來(lái)加以說(shuō)明，以求達(dá)到更好的論述效果，加深大家對(duì)地埋電纜保護(hù)管受力分析的理解。

2.1.2 有限元分析模型計(jì)算模板

通過(guò)有限元分析方法，對(duì)實(shí)際工程中不同規(guī)格的CPVC 電力保護(hù)管做力學(xué)分析：土壓力對(duì)比分析。《管道結(jié)構(gòu)規(guī)范》中，對(duì)由設(shè)計(jì)地面開槽施工的管道，管頂豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值Fsv,k 可按Fsv,k=CdγSHBC 計(jì)算，式中Cd為開槽施工土壓力系數(shù)，與開槽寬度有關(guān)，一般取1.2；γS為回填土的重力密度(kN/m3)；H 為管頂至設(shè)計(jì)地面的覆土高度(m)；BC 為管道的外緣寬度(m)。

對(duì)于圓管，應(yīng)以管外徑D1替代BC，得出豎向土的壓力Fsv,k 的計(jì)算公式Fsv,k=CdγSHD1，但由于不同土層對(duì)電纜保護(hù)管的壓力不同，而且土與土之間存在較大的摩擦，根據(jù)上述公式計(jì)算出來(lái)的結(jié)果可能會(huì)略帶偏差，試驗(yàn)者在計(jì)算時(shí)應(yīng)將地理因素和其他外界因素考慮在內(nèi)，除卻“土拱效應(yīng)”外還應(yīng)考慮到保護(hù)管實(shí)際受到的壓力小于以上兩個(gè)公式計(jì)算得到的理論值，并加于實(shí)際考慮。

2.2 有限元模型受力分析

根據(jù)試驗(yàn)原則，現(xiàn)對(duì)三種不同規(guī)格的電纜保護(hù)管加以有限元受力分析，借助儀器檢測(cè)結(jié)果分別對(duì)電纜保護(hù)管和土體進(jìn)行分析，得到土體的變形云圖、保護(hù)管的變形云圖、應(yīng)力云圖，同時(shí)借助國(guó)家官方規(guī)定的不同規(guī)格的保護(hù)管分析，多次試驗(yàn)尋求正確結(jié)果，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析可得：

三種規(guī)格中的電纜保護(hù)管受力不同，現(xiàn)以品字形排列的電纜保護(hù)管分析為例，如對(duì)其描述“品”，該類型的電纜保護(hù)管有一個(gè)最高點(diǎn)，而這個(gè)最高點(diǎn)即該電纜保護(hù)管受力最大的部分，即最大變形處發(fā)生在上方保護(hù)管的最高處，使得不同保護(hù)管之間的接觸界面和最大變形處產(chǎn)生最大應(yīng)力。

在電纜保護(hù)管制作過(guò)程中，所列規(guī)格均需滿足國(guó)家制定的最低標(biāo)準(zhǔn)，尤其是安全儲(chǔ)備，減少后期維修次數(shù)及因維修而產(chǎn)生的大量不必要的浪費(fèi)。后期工作人員必須嚴(yán)加監(jiān)管，隨著土壤、地形、天氣等外界因素的改變調(diào)整對(duì)電纜保護(hù)管的檢修次數(shù)以及間隔時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)一步結(jié)合相關(guān)工程案例及運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)管壁的厚薄也做出相應(yīng)的改變。

混凝土封包作為又一種典型代表，其最大變形為0.86×10-2mm，而混凝土封包的最大應(yīng)力為0.83MPa，遠(yuǎn)小于混凝土的破壞強(qiáng)度。因此當(dāng)該類型的電纜保護(hù)管的上方土層承載量亦或是行車車輛的運(yùn)荷量超載，會(huì)導(dǎo)致混凝土封包被擠壓從而導(dǎo)致變形，但其變形是在一定程度上的，不同土層深度的變形程度不盡相同，并且都遵循以下規(guī)律：隨著土層深度的增加，每個(gè)不同方向的電纜保護(hù)管的最大應(yīng)力隨之減小。但施工需要考慮不同工程所需特征的電纜保護(hù)管，如混凝土封包作為電纜保護(hù)管的受力結(jié)構(gòu)時(shí)，電纜保護(hù)管主要起到防水防滲的作用，適用于天氣較為潮濕的地區(qū)，也能夠在一定程度上減少電纜敷設(shè)阻力，符合電纜保護(hù)管的基本要求，但他的力學(xué)貢獻(xiàn)就相對(duì)較為微弱，并不建議將該類型的受力結(jié)構(gòu)適用于高強(qiáng)度作業(yè)工程中去。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 保護(hù)管內(nèi)徑及埋深

在設(shè)計(jì)地埋電纜保護(hù)管的敷設(shè)方式時(shí)除了參相關(guān)文獻(xiàn)做出方案，更重要的是要進(jìn)行實(shí)地考察，看當(dāng)?shù)氐那闆r是否存在變化，做出相應(yīng)的調(diào)整，充分考慮到環(huán)境、天氣因素，并盡最大可能做到不影響居民的日常生活，因地制宜改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

而為了電纜在敷設(shè)過(guò)程中能夠順利穿管，其保護(hù)管的內(nèi)徑應(yīng)當(dāng)控制在電纜外徑的1.2～1.5倍，并且應(yīng)當(dāng)控制電纜、光纜的保護(hù)管內(nèi)直徑在75mm 以內(nèi)，電纜保護(hù)管的最小內(nèi)直徑不能夠小于100mm。再考慮到運(yùn)行問(wèn)題，為了確保電纜能夠安全順利的運(yùn)行，在人群分布密集的地方尤其應(yīng)當(dāng)提升其安全性能，常見的方式是通過(guò)將電纜地埋深度增加，但事不可無(wú)限度，即使加深地埋深度能夠增強(qiáng)其安全性能，也需要將加深地埋深度時(shí)產(chǎn)生的花銷考慮在內(nèi)，按照規(guī)定，將土層深度控制在1000mm 是一種較為安全且施工較為容易的程度。在一般的地區(qū)敷設(shè)電纜保護(hù)管時(shí)要求敷設(shè)的保護(hù)管頂部距地面的距離不小于700mm，但對(duì)人行道的要求更為簡(jiǎn)易一些，在不小于500mm 的土層處進(jìn)行敷設(shè)即可。

3.2 電纜保護(hù)管的排列方式

按照國(guó)家相關(guān)部門的規(guī)定，每組電纜保護(hù)管的根數(shù)應(yīng)設(shè)置為6～16根，具體適用于多少根數(shù)應(yīng)當(dāng)依據(jù)城市道路的特性為主，選擇適用的規(guī)格，同時(shí)選用適合的保護(hù)管的孔數(shù)，常用的電纜保護(hù)管的排列工程分為長(zhǎng)方形和正方形兩類，分別為3×4、3×5、4×4、3×6幾大主要類型，也有部分工程適用于上文提及的“品”字形排列方式。但需要注意的是，即使為了施工方便，電纜保護(hù)管的散熱性能應(yīng)相對(duì)較高，因?yàn)樵陔娎|保護(hù)管敷設(shè)時(shí)，不可避免中間由于許多組件的參與使得其散熱性能偏差。為了保證地埋式電纜保護(hù)管的正常運(yùn)行，中間電纜保護(hù)管應(yīng)采用控制電纜或光纜的敷設(shè)方式來(lái)彌補(bǔ)散熱性能的削減。

3.3 電纜保護(hù)管的選材

各大常見的電纜保護(hù)管類型在話題一中已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，如玻璃鋼保護(hù)管、纖維水泥保護(hù)管等，此處主要介紹在外界因素干擾情況下的選材。在一項(xiàng)工程開展前，在保證工程能夠正常進(jìn)行的前提下，應(yīng)當(dāng)選擇滿足工程需求的電纜保護(hù)管，其中考慮的主要因素分為敷設(shè)的難易程度、耐腐蝕性、耐高溫性，如果長(zhǎng)期保持高強(qiáng)度作業(yè)時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮電纜保護(hù)管的機(jī)械強(qiáng)度，根據(jù)工程需要做成合適的選材方案。