大管徑直埋供熱管道設(shè)計(jì)方法初探

常慶梅

摘 ?要：根據(jù)環(huán)保政策，不斷更新的國(guó)內(nèi)供暖管道中建設(shè)網(wǎng)絡(luò)化是重點(diǎn)，在管道建設(shè)和使用過(guò)程中，供熱管道建設(shè)活動(dòng)轉(zhuǎn)向了半徑長(zhǎng)、沿線大管徑。當(dāng)大管徑直接埋在熱流道中時(shí)，施工技術(shù)必須科學(xué)地應(yīng)用。本文分析了直埋所需的方法及直埋技術(shù)。

關(guān)鍵詞：大管徑;直埋;供熱管道設(shè)計(jì)

引言 ?隨著我國(guó)供熱行業(yè)的迅猛發(fā)展，規(guī)程適用已不足以滿足供熱網(wǎng)的實(shí)際需求，城市供熱網(wǎng)的最大管道超過(guò)DN500。同時(shí)，許多設(shè)計(jì)師認(rèn)為該規(guī)程的適用范圍是限制直埋敷設(shè)，認(rèn)為其過(guò)于保守。此觀點(diǎn)不正確，規(guī)程決定了可以計(jì)算和構(gòu)造直埋敷設(shè)管道的條件。這種設(shè)計(jì)方法顯然都需要相應(yīng)的值范圍，并且直埋敷設(shè)的能力取決于管道是否處于安全狀態(tài)。

一、直埋供熱管道的應(yīng)力分析

1.分析應(yīng)力。力作用引起的應(yīng)力稱(chēng)為一次性應(yīng)力，靜態(tài)平衡條件的取決。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)極限狀態(tài)時(shí)，管道會(huì)導(dǎo)致塑料無(wú)限流動(dòng)，導(dǎo)致裂縫和破裂。位移效應(yīng)可以是預(yù)定的位移或變形，例如管子熱膨脹或脫落。它們也可以是由位移或變形、軸向摩擦或土壤壓縮產(chǎn)生的力。位移引起的應(yīng)力稱(chēng)為二次應(yīng)力，在一定的變形條件下，產(chǎn)生的變形總是減小，不會(huì)引起變形。當(dāng)二次應(yīng)力超過(guò)極限狀態(tài)時(shí)，鋼材料也會(huì)屈服，導(dǎo)致塑性變形而沒(méi)有無(wú)限塑性流動(dòng)。此外，在沒(méi)有部分連接的管線的情況下，不管力或位移如何，都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中;所得電壓稱(chēng)為峰值電壓。峰值應(yīng)力變化不大，但周期性變化的峰值應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鋼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞，從而對(duì)管道造成部分疲勞損壞。

2.計(jì)算應(yīng)力。管道承受地面一次應(yīng)力和側(cè)向壓縮的二次應(yīng)力計(jì)算。對(duì)于直埋管，如果管軸本身向遠(yuǎn)離管尺寸的方向移動(dòng)，則不能忽略新創(chuàng)建的管和土壤之間的摩擦。

二、直埋管道的失效分析

1.強(qiáng)度失效。（1）無(wú)限塑性流動(dòng)。當(dāng)內(nèi)壓應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致通道壁發(fā)生較大塑性變形，導(dǎo)致塑料無(wú)限流動(dòng)，導(dǎo)致管道斷裂和破壞?；丨h(huán)變形。溫度應(yīng)力在直管系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。對(duì)于溫度不能完全釋放的情況，加熱過(guò)程會(huì)導(dǎo)致通道壁在軸向壓力應(yīng)力下發(fā)生軸向塑性變形。當(dāng)溫度降低時(shí)，管道壁在軸向拉伸應(yīng)力下變形。當(dāng)循環(huán)壓力和溫度的變化在管道運(yùn)行過(guò)程中影響兩倍以上的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生循環(huán)變形。（2）破壞疲勞。通常應(yīng)力集中容易引起管件（例如彎頭、尺寸頭、三通）對(duì)于溫度和壓力產(chǎn)生變化，應(yīng)力集中時(shí)產(chǎn)生的峰值應(yīng)力僅在局部小區(qū)域引起循環(huán)塑性變形。首先，彈性區(qū)被包圍，沒(méi)有裂縫。在管道運(yùn)行一段時(shí)間的第二次塑性變形中，鋼的損壞會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度疲勞。峰值電壓變化越大，疲勞引起的周期越短。

2.穩(wěn)定失效。熱力管道承壓時(shí)，可能出現(xiàn)兩種不穩(wěn)定。（1）整體。從整個(gè)管線的角度來(lái)看，管道屬于管接頭。當(dāng)熱膨脹變形不能完全釋放時(shí)，軸向壓力最大，可能導(dǎo)致管道整體不穩(wěn)定。（2）局部。根據(jù)管道部分，管道指壁厚。軸向應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致管子部分起皺，從而導(dǎo)致局部不穩(wěn)定。（3）變形橢圓化。截面中的地面載荷和運(yùn)輸載荷會(huì)導(dǎo)致管道表面橢圓變形，橢圓變形過(guò)大會(huì)導(dǎo)致管道損壞。

三、大管徑直埋供熱管道設(shè)計(jì)方法解析

1.大管徑直埋應(yīng)力和穩(wěn)定性分析。供熱管道應(yīng)直接位于地下，并與土壤接觸，然后進(jìn)行應(yīng)力分析。對(duì)于土壤類(lèi)型，管道（如黏土、沙子等）的摩擦和重力存在差異。這些因素直接導(dǎo)致管道的不同垂直土壓力系數(shù)。例如黏土體積為16.5～17.5KN每立方米，內(nèi)摩擦角約為12度，硬質(zhì)黏土、疏松細(xì)沙、密實(shí)的細(xì)沙分別為18～20KN、15～16KN、17.5～19KN每立方米，33度內(nèi)摩擦角33度，計(jì)算土壤對(duì)供熱管道的影響時(shí)，也必須堅(jiān)持兩項(xiàng)直埋規(guī)律。首先，大管徑的最大土壤壓力，其次是管道頂部，最后土壤壓力最小是管道兩側(cè)。其次，很明顯，鎮(zhèn)砂在均勻壓實(shí)作用，以保證熱水管道周?chē)膲毫簩?shí)。除了外部土壓力外，管道內(nèi)部負(fù)荷還會(huì)影響直埋時(shí)大管道的直徑。供給通道通常由三層材料構(gòu)成，其中較大的徑向應(yīng)力通常是壓力應(yīng)力，三層供熱管道的徑向壓力最大，外部保護(hù)管的壓力比這小得多。最小壓力為管道保溫材料。然而，應(yīng)用于熱管元件的壓力應(yīng)力是相反的。

2.計(jì)算進(jìn)行了分析壁厚和深度，為防止管道直埋發(fā)生變形，必須在布線前計(jì)算壁厚。計(jì)算應(yīng)基于應(yīng)力、穩(wěn)定性、內(nèi)應(yīng)力等因素。計(jì)算時(shí)，請(qǐng)確保壁厚與壁厚之比偏差率成反比。除了厚壁預(yù)算，還必須將預(yù)算深度。這是因?yàn)樯疃葧?huì)影響管道的縱向能力。管道溫度隨管道直徑加熱而升高，但管道熱仲長(zhǎng)，隨著熱仲長(zhǎng)升高，地面沉降增加，管道直徑方向壓力增大。管道直徑中應(yīng)力作用，管道縱向失穩(wěn)。

3.結(jié)合使用有補(bǔ)償與無(wú)補(bǔ)償鋪設(shè)的方法。對(duì)于大直徑熱水通道埋設(shè)，由于直徑的限制，工程師可以通過(guò)采取有效措施提高熱水通道中的縱向穩(wěn)定性來(lái)避免問(wèn)題。例如，所使用的修正推力根據(jù)管道中使用的固定墩推力而不同。130T推力時(shí)，指定的固定墩與彎頭20米距離，以便將固定墩的壓力改變10T。50T推力時(shí)，必須確保其兩者15米距離，以便將固定墩改變20T推力。有補(bǔ)償直埋需要通過(guò)彈性的鋪設(shè)減小用于將管道直接輸送到熱通道的坡度變化范圍，以便在城市下有大量障礙物和復(fù)雜有補(bǔ)償直埋網(wǎng)的情況下，使用深埋預(yù)算和分段鋪設(shè)地完成鋪設(shè)。

四、結(jié)語(yǔ)

使用供熱管道大管徑直埋鋪設(shè)敷有較長(zhǎng)時(shí)間，但考慮到各地區(qū)地下管網(wǎng)的復(fù)雜性和復(fù)雜的地形環(huán)境，有關(guān)人員應(yīng)在敷設(shè)前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察，管道應(yīng)力，管道本身的穩(wěn)定性等，科學(xué)計(jì)算理論保證供熱技術(shù)的直埋鋪設(shè)僅從理論上分析具體設(shè)計(jì)過(guò)程中需要的內(nèi)容。

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