对供热管道直埋技术的分析

 摘要:本文介绍了供热管道直埋敷设的发展现状及其分类，并对有补偿直埋敷设和无补偿直埋敷设的设计方法进行了阐述，并介绍了这两种方法下管道的布置形式。最后提出了供热管道直埋敷设中存在的一些问题，并阐述了其解决思路。  

　　关键词:供热管道敷设，有补偿直埋敷设，无补偿直埋敷设，技术探讨  

　　中图分类号：TU833文献标识码： A 

　　前言  

　　在城市的供热系统中，供热管道的投资占有非常大的比例。供热管道直埋敷设技术发展较早，在一些发达国家应用较普遍。我国自80年代开始应用此项技术，从此我国的供热管道直埋技术迅速发展并得到了广泛的应用。  

　　一.直埋敷设发展现状及其分类  

　　1. 直埋敷设发展现状  

　　国内供热直埋管道的受力分析主要采用从国外引进的应力分析法。应力分析法认为根据不同的应力作用形式，管道会发生不同形式的破坏，应采用不同的应力验算方法。1976 年北京市煤气热力设计院等五家单位合作在热力管道无补偿直埋敷设试验研究中采用应力分类法进行无补偿的理论研究和现场实测，证实了采用应力分类法理论计算结果的正确性�太原理工大学和太原热力公司用三年的时间完成了大直径管道摩擦系数的试验研究。得出结论《城镇直埋供热管道工程技术规程》(CJJ/T8198)（以下简称《规程》）给出的回填土摩擦系数的取值范围可以适用于大直径管道的直埋敷设管道受力设计计算中。  

　　三通、弯头等薄弱部件处的保护措施以及预热方法等技术也在不断的更新。目前国内外对于直埋管道受力的设计原则虽然不完全一致，但是大部分都遵循尽量避免整个管道中有补偿安装，而只在局部薄弱部件处进行补偿保护的原则。鉴于《规程》颁布时直埋敷设的发展状况，《规程》中对直埋敷设的一些设计参数进行了限制，明确指出《规程》适用于供热介质温度小于或等于150℃，公称直径小于或等于500mm 的钢质内管、保温层、保护外壳结合为一体的预制保温直埋热水管道。  

　　2. 直埋敷设网的分类  

　　直埋供热管网的敷设方式按照长直管段是否允许出现无补偿管段分为两大类：有补偿敷设和无补偿敷设。无补偿敷设按照管道焊接温度又可分为冷安装和预应力安装。就满足安定性条件而论，有补偿敷设可用于各种供热系统，而无补偿敷设是有条件的，即使采用预热安装也是如此。从管段的应力变化范围分析，冷安装应力变化范围和预热安装相同，但冷安装管道的应力幅度约为预热安装的二倍，即直管段和弯头的升温轴向力约为预热安装的二倍。从管道工程施工速度和工程造价看，冷安装最快、最省，而预热安装次之，有补偿安装最慢、最贵。从对预制保温管质量，管道附件质量，工程施工质量等角度考虑，同等管道寿命，冷安装要求的质量更高。  

　　二有补偿直埋敷设和无补偿直埋敷设的设计方法  

　　直埋供热管网敷设，设计原理分为弹性分析法和安定性分析法。根据管径和管网走向，通过采取一定技术措施，使直埋管网中的管道及管件，都能满足相应的强度和稳定条件而处于安全状态。  

　　1.有补偿直埋敷设  

　　按照传统的管道强度验算方法，对各种载荷产生的应力，均按弹性分析理论或极限分析理论的强度条件控制，将各种荷载产生的应力叠加，仅计算综合应力对管道系统的影响，以控制荷载引起的应力、应变在弹性范围内并考虑足够的安全余量作为限定值，只要求管道任意截面的总应力不超过钢材的许用应力，因此计算方法简单。利用补偿器吸收热位移来降低直管段的温度应力，设计结果是固定支架和补偿器的数量很多。  

　　2.无补偿直埋敷设  

　　管道的强度验算采用先进的应力分类法，根据由不同特性的荷载产生的应力性态和对管道破坏的影响，对应力进行分类并采用不同的强度条件控制，其中温度应力采用按定性分析理论控制，使得只要管段能够满足应力分析对应的强度条件，无需设置补偿器来降低直管段温度应力，其它应力则需要固弹性分析理论及疲劳分析理论进行分析，因此计算复杂。设计结果是管道上很少设置补偿器和固定支架。  

　　三、有补偿直埋敷设和无补偿直埋敷设管道的布置形式  

　　1. 有补偿直埋敷设  

　　当采用有补偿直埋敷设时可不考虑管道失稳，隆出地面等问题，所以工程中会尽量浅埋。浅埋敷设可减少土方量，敷设时不设混凝土墩，不仅降低了工程造价，缩短了工期，而且减少了由地下水位高带来的热损失，延长了管材的使用寿命，使后期运行维护管理更加简单、省心。但由于要采用补偿器吸收热位移来降低直管段的温度应力，管道和土壤之间摩擦力产生的应力较大，补偿段长度较短，管网中需设置大量补偿器和固定支座。因此，管网占用空间大，布置形状复杂。  

　　2. 无补偿直埋敷设  

　　当供热管道采用无补偿直埋敷设设计时，在工作温度范围内，当管道热伸长受阻产生的温度应力能够满足安定性分析的强度条件时，从管道强度角度考虑在长距离直管段上可不设补偿器。但是对于长距离敷设的直管段，如果允许管道发生塑性变形或轴向应力接近屈服极限，易出现由于材料允许的缺陷或不均匀现象所造成的破坏，如钢管壁厚偏差的影响，因此，需要根据现场条件采取适当的保护措施，可能需要设少量补偿器及固定支座，但总体上系统管网占用空间小，布置形式简单。  

　　四、直埋敷设中存在的问题及解决思路  

　　近几年的直埋敷设热水管道很多都需要使用大直径、高压力的管道，原来的适用于小直径管道的设计方法和公式有待改进。同时，直埋技术不断发展，大直径管道的无补偿安装、薄弱部件加强等技术也越来越广泛的应用于实际工程中。经过调查研究，发现直埋敷设管道受力设计存在以下几个问题，进行分析并提出相应的解决方法。  

　　1.直埋管道受力设计方法适用范围有待扩展。  

　　《规程》中给出的直埋管道受力设计方法适用于供热介质温度不大于150℃。公称直径不大于DN500mm的一体型预制保温管。可是现在的供热管道规格已经达到公称直径DNl200mm；管道的工作压力也很大。一些工程已经使用了工作压力2．5MPa的管道的无补偿冷安装直埋敷设计。  

　　《规程》以及一些设备厂家在设计手册中给出的公式、图表大多是对较低工作压力、较小直径管道的简化结果，这些要求是否适用于大直径、较高工作压力的直埋敷设管道的受力设计还有待研究。另外，《规程》中对于固定墩推力的计算是基于粉质粘土或砂质粉土的情况，并按照一定的摩擦力下降规律给出的，但没有给出土壤特性及摩擦力情况不同时的计算方法。  

　　解决该问题的思路是以现有的管道受力设计方法为基础，对现有的公式、原理进行深入分析，重点考虑大直径管道的设计要点、循环塑性变形失效。  

　　2.对大直径管道失效方式的研究有待提高。  

　　管道中发生不同失效方式的位置和情况都有所不同。直管以及不同的管路附件(直管、三通、弯头、阀门等)对应着各自不同的失效方式。而现行的直埋管道受力设计方法中只考虑了其中部分的失效方式，是对小直径管道等设计条件下管道应力分析的一种简化。例如：《规程》中对于直管的受力设计只考虑了无限制变形破坏、整体垂直失稳和循环塑性变形，而没有考虑局部失稳破坏。对于大直径、较高工作压力的管道，必须考虑管道的局部失稳破坏。  

　　随着供热管道直埋敷设应用规模的不断扩大。在实际的受力设计中，应考虑大直径管道受力特点，根据具体的情况，选择相应的管道失效方式进行分析和验算，才能保证管道受力设计的合理、工程的运行安全。  

　　结语  

　　总之，供热管道直埋敷设技术在目前是一项比较先进的技术，而且有着非常显著的经济效益，对供热节能也有着非常重要的贡献。因此，我们要进一步完善供热管道直埋敷设技术，使其应用更加广泛、高效。  

　　参考文献  

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　　[4]王志强 戴丽娟 供热管道直埋有补偿设计的有关问题[J]管道技术设备2010(2)