关于直埋供热管道设计与施工的探讨

 【摘要】本文主要讨论了直埋供热管道的设计与施工理论。首先分析管道系统承受的作用(荷载)，探讨了防止直管破坏的设计方法，最后提出管道的布置和敷设原则。 

　　【关键词】直埋供热管道；设计；施工 　　 

　　直埋敷设已成为我国区域供热管网推荐的一种敷设方式，其与传统的地沟敷设方法相比具有占地少、施工周期短、维护量小、节约投资、寿命长等诸多优点，很适合城市建设的要求，在我国已得到一定范围的应用。 

　　1 直埋供热管道的设计方法 

　　1.1 直埋供热管道的作用及应力特点 

　　所有使管道产生内力及应力的因素都称为作用(又称荷载)。不同类型的作用，使管道产生不同性质的应力，进一步可能导致不同方式的破坏。温度和压力是热力管道上最主要的两种作用。对于直埋管道，还有轴向位移产生的土壤轴向摩擦力和侧向位移产生的土壤侧向压缩反力。另外，在管道局部结构不连续处会产生应力集中，对应的应力称为峰值应力。峰值应力不会引起显著的变形．但循环变化的峰值应力，也会造成钢管内部结构的损伤，导致管道疲劳破坏。管道在弯头、三通处产生的应力属于峰值应力。由于土壤的均匀支撑，管道的自重没有产生自重弯曲应力，故一般忽略不计。但是对于热网中常用的管道，其公称壁厚要远远大于该压力所需的设计壁厚，内压产生的实际应力也就远远小于管材的屈服应力。相反，由于管道中热胀变形不能完全释放，使管道产生了较大的轴向压力和压应力，其中轴向压应力可能与屈服应力处于同一数量级上。 

　　1.2 防止直管破坏的设计方法 

　　1.2.1 防止循环塑性破坏的设计方法 

　　管道温度在管道工作循环最高温度与最低温度问变化时，所产生的应力变化是循环塑性破坏的起因。无论是锚固状态的管道，还是滑动状态的管道，应力变化都与安装温度无关，故预应力安装不解决冷安装的循环塑性破坏的问题。当锚固状态的直管段满足不产生循环塑性破坏的安定性条件时，锚固状态的管道允许存在，该直管段可以采用无补偿安装方式，当然包括了无补偿冷安装方式。否则，应在该直管段设置补偿装置，并通过调整补偿装置间距，控制管段上的应力变化，使之不产生循环塑性破坏，这时，该直管段就变成有补偿安装方式。 

　　1.2.2 防止整体失稳破坏的方法 

　　在进行直埋供热管道设计时，除考虑循环塑性破坏外，还要考虑稳定性问题。管道温度从安装温度升高到管道工作循环最高温度时，所产生的升温轴向压力是整体失稳破坏的起因。在冷安装条件下，锚固的直管段满足稳定性条件时，该直管段可采用无补偿冷安装方式。一般地讲，供水温度不高于130℃、管径不大于DN500的热网，采用无补偿冷安装方式都能保证不出现循环塑性破坏；当埋深在1米以下时，还能保证不出现整体失稳。由于一般的热网都可满足上述条件，故从直管段强度的角度，采用无补偿冷安装方式是没有问题的。但是，从保护三通、弯头、折角、大小头和阀门等薄弱部件以及减小固定墩推力的角度，有时在局部管段还要采用设置补偿装置的有补偿安装方式。至于预应力安装方式，由于只能解决稳定性的问题，而通过增加覆土深度或设置补偿装置解决稳定性问题，通常会更经济一些，故预应力安装方式的使用变得越来越少。 

　　2 直埋供热管道的施工方法 

　　2.1 直埋供热管道的安装方式 

　　直埋管道中的应力是热胀变形不能完全释放而产生的。因此。通过选择不同的安装方式，可以改变热胀变形的大小和变形的释放程度，进而改变管道的应力水平。热胀变形的大小与零应力状态对应的温度有关，零应力状态温度的提高，可降低热胀变形的大小。根据此温度是否等于安装时的环境温度，管道可分为两种。冷安装：零应力状态对应的温度等于安装时的环境温度。预应力安装：零应力状态对应的温度等于预热温度。根据热胀变形能否释放，管道又可分为两种。无补偿安装：两固定墩之间或远离补偿装置而处于锚固状态的管道(锚固段)，其热胀变形不能被补偿装置所吸收。有补偿安装：补偿装置附近处于滑动状态的管道(滑动段)，其热胀变形能被补偿装置所吸收。 

　　2.1.1 无补偿冷安装 

　　管道回填时，既不进行预应力，也不进行补偿，温度变化时管段处于不动的锚固状态。无补偿冷安装是最简单和最经济的安装方式，但运行工况下管道承受较高应力。在满足强度条件时，管段应优先采用这种安装方式。 

　　2.1.2 有补偿安装 

　　当管段中设置补偿装置(弯管补偿器或波纹管补偿器)时，补偿装置附近处于滑动状态的管段属于有补偿安装。由于设置弯管补偿器或波纹管补偿器，必然增加了补偿装置的投资，对于波纹管补偿器，还增加了管网的事故点。因此，应避免在整个管网中都采用有补偿安装方式，但在管网设计中，局部管段采用这种安装方式还是比较安全经济的。 

　　2.1.3 预应力安装 

　　预应力安装方式，实质上是改变管道的安装温度，使之等于预热温度，当管道温度等于预热温度时，管道应力为零。而当管道温度恢复至环境温度时，使管道产生预应力效果。可以通过预热的方式和采用一次性补偿器的方式来实现预应力安装方式：(1)预热方式是管道在回填前进行预热，加热到预热温度时进行回填，立即可产生预应力效果。采用预热方式时，应具备预热热源，同时现场条件允许管沟敞口。(2)采用一次性补偿器的方式时，管道安装后可立即回填。在首次加热过程中，当补偿管段的热胀变形量达到在预热温度下的自由膨胀变形量时，就可焊接该一次性补偿器。通过多次温度变化，使应力均匀分布，从而达到预应力效果。采用一次性补偿器的方式，不需要预热热源，并且只需补偿器附近的管沟敞口，但是增加了一次性补偿器的费用。 

　　2.2 直埋供热管道的布置和敷设 

　　2.2.1 管材的选择 

　　埋地热力管道内压一般都很低，由内压引起的总体一次薄膜应力不足允许值的50％。发生直接爆破破坏的可能性很小，破坏的最大可能是由温度应力引起的塑性疲劳破坏。因此，在选择管材时，应主要从抗疲劳性能来考虑。这就要求选择塑性比较好、易焊接的材质，一般10#、20#钢种较为适宜。轴向温度应力与管壁横截面积的大小无关，增加壁厚并不能降低管壁内的轴向应力。相反，它可能增加对固定墩的推力和过渡段的热伸长量。因此，管壁应尽可能选择较薄的规格。在实际工程中有时由于供货条件的原因，同一直径的管子可能有两种以上的规格。此时，应注意避免不同规格的管子混合使用。 

　　2.2.2 管道的布置 

　　直埋供热管道的布置应符合国家现行标准《城市热力网设计规范》的有关规定。直埋供热管道穿越河底的覆土深度应根据水流冲刷条件和管道稳定性条件确定。直埋供热管道上的阀门应能承受管道的轴向荷载，宜采用钢制阀门及焊接连接。直埋供热管道变径处(大小头)或壁厚变化处，应设补偿器或固定墩，固定墩应设在大管径或壁厚较大一侧。直埋供热管道的补偿器，变径管等管件应采用焊接连接。 

　　2.2.3 管道的敷设 

　　直埋供热管道的高处宜设放气阀，低处宜设放水阀。管道应利用转角自然补偿，但是10—60的弯头不宜用做自然补偿。从干管直接引出分支管时，在分支管上应设固定墩或轴向补偿器或弯管补偿器，并应符合下列规定：分支点至支线上固定墩的距离不宜大干5m，分支点至轴向补偿器或弯管的距离不宜大于20 m，分支点有干线轴向位移时，轴向位移量不宜大于50mm。三通、弯头等应力比较集中的部位，应进行验算，验算不通过时可采取设固定墩或补偿器等保护措施。当需要减少管道轴向力时，可采取设置补偿器或对管道进行预处理等措施。当地基软硬不一致时，应对地基做过渡处理。埋地固定墩处应采取可靠的防腐措施，钢管、钢架不应该裸露。轴向补偿器和管道轴线应一致，距补偿器12m范围内管段不应有变坡和转角。