摘要:《城鎮直埋供熱管道工程技術規程》中給定的管道受力等計算圖表均限于公稱管徑在500mm以下[1]，適用范圍已不能滿足實際熱網的需要，目前國內城市供熱管網的最大管徑都超過500mm[2,3]。下面對大管徑直埋供熱管道的設計方法作進一步的研究與探討。
Tag: 供熱、直埋管道
引 言
《城鎮直埋供熱管道工程技術規程》中給定的管道受力等計算圖表均限于公稱管徑在500mm以下[1]，適用范圍已不能滿足實際熱網的需要，目前國內城市供熱管網的最大管徑都超過500mm[2,3]。下面對大管徑直埋供熱管道的設計方法作進一步的研究與探討。
1 直埋供熱管道的應力分析
1．1 應力分析[4]
由于力作用而產生的應力稱為一次應力，取決于靜力平衡條件。如果一次應力超過了極限狀態，管道會發生無限的塑性流動，會導致爆裂或斷裂。位移作用可以是由于給定的位移或變形，如熱脹變形或管道沉降；也可以是由于位移或變形引起的力，如土壤的軸向摩擦力和壓縮反力。由位移作用所產生的應力稱為二次應力，取決于變形協調條件，所產生的變形總能使應力下降，使變形不再發展。如果二次應力超過了極限狀態，鋼材也會產生屈服，發生塑性變形，但不會產生無限的塑性流動。另外，在管道局部不連接處，力作用和位移作用都會產生應力集中，所產生的應力稱為峰值應力。峰值應力不會引起顯著的變形，但循環變化的峰值應力也會造成鋼材內部結構的損傷，導致管道的局部疲勞破壞。
1．2 應力計算
由內壓所產生的一次應力和土壤側向壓縮反力引起的管道二次應力的計算可按照文獻[1]進行。對于大管徑直埋管道，由于管道本身自重大，當管道發生軸向位移時，由自重產生的管道與土壤之間的摩擦力就不可忽略[5]。摩擦力的計算公式中應考慮到管道自重[6]，其計算公式為：
F=μ[πρg(h+Dw／2)Dw+C]
式中：F——軸線方向每1 m管道的摩擦力，N／m；
μ——外管殼與土壤的摩擦系數；
ρ——土壤密度，一般砂土取1800kg／m3；
g——重力加速度，m/s2；
h——管頂覆土深度，m；
Dw——預制保溫管外殼的外徑，m；
G——每1m預制保溫管的滿水重量，N/m。
2 直埋管道的失效分析[3，4]
對于大管徑直埋供熱管道，在設計中除了進行管道強度的計算外，還應對管道的安全狀態進行分析，考慮管道可能出現的失效變形。直埋供熱管道的失效包括強度失效與穩定失效兩個方面。
2．1 強度失效
(1)無限塑性流動
由于內壓作用而產生的一次應力超過屈服應力時，管壁會產生較大的塑性變形，出現無限的塑性流動，引起管道爆裂或斷裂。
(2)循環塑性變形
在直埋供熱管道中，溫度應力起決定性作用。當溫度變化較大而熱脹變形又不能完全釋放時，升溫過程會使管壁因軸向壓應力而產生軸向壓縮塑性變形；降溫過程則會使管壁因軸向拉應力產生軸向拉伸塑性變形。在管道的使用期內，由于循環變化的壓力和溫度變化產生的應力超過2倍的屈服應力時，將會產生循環塑性變形。
(3)疲勞破壞
通常在彎頭、大小頭及三通等管件處易產生應力集中。在溫度和壓力變化過程中，應力集中引起的峰值應力只在很小的局部范圍內產生循環塑性變形。首先是由于該區域是被彈性區域包圍的，不會引起爆裂或斷裂；其次是塑性變形時，鋼材的損傷作用使管道經歷了一定的運行周期后，產生疲勞破壞。峰值應力的變化越大，疲勞破壞所產生的周期就越短。
2．2 穩定失效
當熱力管道處于受壓狀態時，可能出現2種失穩破壞。
(1)整體失穩。從整個管線看，管道屬于管道件。當熱脹變形不能完全釋放時，運行工況下的軸向壓力最大，由于壓桿效應，可能引起管線的整體失穩。
(2)局部失穩。從管道局部看，管道屬于薄殼體。在軸向應力的作用下，管道可能出現局部皺結，引起局部失穩。
(3)橢圓化變形。橫斷面上的土壤荷載和交通荷載也會使管道界面產生橢圓化變形，過大的橢圓化變形也會使管道產生破壞。
3 大管徑直埋管道的設計要點[3—7]
3．1 局部失穩和橢圓化變形
在直埋敷設熱力管道中，當管徑小于500mm時，管道只會出現無限塑性流動、循環塑性變形、疲勞破壞和整體失穩，而不會出現其他形式的破壞。在強度計算中，滿足相應破壞方式的強度條件時，管徑500mm以下的管道將處于安全狀態。當管徑大于500mm時，除上述破壞方式外，局部失穩和截面橢圓化變形將成為大管徑直埋管道的主要失效方式。因此，必須使管道滿足新的強度條件，才能處于安全狀態。
(1)局部失穩
產生局部失穩的因素是管道的軸向應變，軸向應變取決于熱脹變形的大小和釋放程度。此外，產生局部失穩的可能性還與管道的截面參數有關。在軸向應變相同的管道中，局部失穩的可能性隨著管壁的增厚而減小，隨著鋼管平均半徑的增大而增加。
管材材質為Q235鋼，可采用下列公式作為驗算鋼管管壁局部穩定性的強度條件[6]。
當計算極限狀態應力時：
若rave／δ≤28．7，σmax≤334MPa；
當計算極限狀態溫差時；
若rave／δ≤28．7，Δt≤130℃；
式中：rave——鋼管的平均半徑，m；
δ——鋼管的壁厚，m；
σmax——管道最大軸向應力，MPa；
Δt——管道工作與安裝溫差，℃。
(2)橢圓化變形
產生徑向變形的原因是管道上作用的垂直荷載，包括土壤荷載和車輛荷載。土壤荷載隨著管道的埋深增加而加大，車輛荷載則隨管道的埋深增加而減小。同樣，徑向變形的大小也與管道的截面參數有關，在相同的垂直荷載作用下，鋼管平均半徑越大，徑向變形越大，管壁越厚，徑向變形越小。
驗算土壤壓力和車輛荷載作用下控制鋼管截面橢圓化變形的穩定條件為：保證鋼管截面的徑向變形不大于鋼管外徑的30％[3]。
3．2 設計要點
在大管徑直埋管道設計中，除按照規程進行強度設計外，同時還要采取相應的措施來避免出現整體失穩、局部失穩和橢圓化變形。
(1)適當增加鋼管壁厚，增大管道的剛度，以增大抗失穩能力，保證不出現截面橢圓化變形和局部失穩。采取增加覆土深度及避免在管線附近平行開溝等措施，增大外界的抗縱向失穩反力和保持外界抗水平失穩能力，防止出現整體失穩。
(2)采用預應力安裝方式，提高安裝溫度，減小運行工況下的溫升及相應的軸向應力，降低熱脹變形量，防止出現局部失穩的現象。
(3)通過設置補償器或彎管的方法，提高熱脹變形的釋放程度，保證不出現局部失穩。
4 應用實例[5]
某熱電廠供熱管網干線采用直埋敷設方式。設計條件：熱網設計供水溫度為150℃，供水壓力1．6MPa，最大管徑為1000mm。管材材質為Q235鋼，管頂埋深為1～3m。
由于供水溫度高，為滿足管道穩定性條件，供熱管網采用了有補償直埋敷設方式。在大小頭管徑較大的一側設置固定墩，管徑較小一側設置補償器。管網中采用高密度聚乙烯預制保溫管及耐高溫的聚氨酯保溫材料。
考慮到管徑大，鋼管相對來說是薄壁殼體，必須對管道的局部失穩進行校核計算。由于管道內的最大軸向應力發生在固定墩處，因此，固定墩處的應力必須同時滿足以上2種校核計算結果。固定墩與補償器之間的距離也以此為依據進行確定。
針對管道局部結構不連接處產生峰值應力的現象，對彎頭、大小頭、三通和折角處采取下列措施將應力釋放，避免引起管道的低循環疲勞破壞。
(1)使用大彎曲半徑的彎頭，所有直埋管道大口徑彎頭的彎曲半徑不小于3．5倍公稱直徑。彎頭的壁厚比相同管徑的鋼管壁厚多2mm。同時在管道安裝完畢回填砂以前，在彎頭附近一定范圍的彎壁內設置泡沫墊片，以增加彎壁吸收變形的能力。
(2)在大管徑直埋管道上設置的三通采用帶加強板的三通。三通支管距固定點的距離為10～12m，當距離較大時在支管一定長度內設置泡沫墊片用以保護三通。在三通支管上設置補償器或Z型彎來降低三通處的應力，補償器或Z型彎距主管的距離為20～25m。在部分三通支管管徑較小時，也采用了平行三通的布置方法。
(3)針對地下敷設的管道易產生折角的現象，在管道布置中將大折角分解為幾個小角度折角進行敷設。對于相距較近的折角，由于將其分解為小折角會很困難，則采用大彎曲半徑的彎管來代替大折角，從而避免了折角處有預應力集中而產生低循環疲勞破壞或局部失穩破壞。
參考文獻：
[1] GJJ／T81—98，城鎮直埋供熱管道工程技術規程[S]．
[2] 何 聰，趙玉軍，李祥瑞．無補償預熱直埋敷設方式的探討[J]．煤氣與熱力，2002，(5)：452—454．
[3] 王 鋼，鄭 斌，張 黎．大管徑直埋供熱管道設計方法初探[J]．區域供熱，2000，(3)：19—21．
[4] 王 剛，賀 平，董樂義．直埋供熱管道強度設計方法及安裝方式[J]．區域供熱，1998，(4)：3—8．
[5] 天津市熱電公司．天津市熱電公司科技進步成果介紹[J]．區域供熱，2000，(1)：10—13．
[6] 蘭德勞夫P(著)，賀 平，王 剛(譯)．區域供熱手冊[M]．哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1998．
[7] 馬志發，趙志清．大管徑直埋供熱管道的預應力直埋敷設[J]．煤氣與熱力，2002，(2)：188—190．
Tag: 供熱、直埋管道
引 言
《城鎮直埋供熱管道工程技術規程》中給定的管道受力等計算圖表均限于公稱管徑在500mm以下[1]，適用范圍已不能滿足實際熱網的需要，目前國內城市供熱管網的最大管徑都超過500mm[2,3]。下面對大管徑直埋供熱管道的設計方法作進一步的研究與探討。
1 直埋供熱管道的應力分析
1．1 應力分析[4]
由于力作用而產生的應力稱為一次應力，取決于靜力平衡條件。如果一次應力超過了極限狀態，管道會發生無限的塑性流動，會導致爆裂或斷裂。位移作用可以是由于給定的位移或變形，如熱脹變形或管道沉降；也可以是由于位移或變形引起的力，如土壤的軸向摩擦力和壓縮反力。由位移作用所產生的應力稱為二次應力，取決于變形協調條件，所產生的變形總能使應力下降，使變形不再發展。如果二次應力超過了極限狀態，鋼材也會產生屈服，發生塑性變形，但不會產生無限的塑性流動。另外，在管道局部不連接處，力作用和位移作用都會產生應力集中，所產生的應力稱為峰值應力。峰值應力不會引起顯著的變形，但循環變化的峰值應力也會造成鋼材內部結構的損傷，導致管道的局部疲勞破壞。
1．2 應力計算
由內壓所產生的一次應力和土壤側向壓縮反力引起的管道二次應力的計算可按照文獻[1]進行。對于大管徑直埋管道，由于管道本身自重大，當管道發生軸向位移時，由自重產生的管道與土壤之間的摩擦力就不可忽略[5]。摩擦力的計算公式中應考慮到管道自重[6]，其計算公式為：
F=μ[πρg(h+Dw／2)Dw+C]
式中：F——軸線方向每1 m管道的摩擦力，N／m；
μ——外管殼與土壤的摩擦系數；
ρ——土壤密度，一般砂土取1800kg／m3；
g——重力加速度，m/s2；
h——管頂覆土深度，m；
Dw——預制保溫管外殼的外徑，m；
G——每1m預制保溫管的滿水重量，N/m。
2 直埋管道的失效分析[3，4]
對于大管徑直埋供熱管道，在設計中除了進行管道強度的計算外，還應對管道的安全狀態進行分析，考慮管道可能出現的失效變形。直埋供熱管道的失效包括強度失效與穩定失效兩個方面。
2．1 強度失效
(1)無限塑性流動
由于內壓作用而產生的一次應力超過屈服應力時，管壁會產生較大的塑性變形，出現無限的塑性流動，引起管道爆裂或斷裂。
(2)循環塑性變形
在直埋供熱管道中，溫度應力起決定性作用。當溫度變化較大而熱脹變形又不能完全釋放時，升溫過程會使管壁因軸向壓應力而產生軸向壓縮塑性變形；降溫過程則會使管壁因軸向拉應力產生軸向拉伸塑性變形。在管道的使用期內，由于循環變化的壓力和溫度變化產生的應力超過2倍的屈服應力時，將會產生循環塑性變形。
(3)疲勞破壞
通常在彎頭、大小頭及三通等管件處易產生應力集中。在溫度和壓力變化過程中，應力集中引起的峰值應力只在很小的局部范圍內產生循環塑性變形。首先是由于該區域是被彈性區域包圍的，不會引起爆裂或斷裂；其次是塑性變形時，鋼材的損傷作用使管道經歷了一定的運行周期后，產生疲勞破壞。峰值應力的變化越大，疲勞破壞所產生的周期就越短。
2．2 穩定失效
當熱力管道處于受壓狀態時，可能出現2種失穩破壞。
(1)整體失穩。從整個管線看，管道屬于管道件。當熱脹變形不能完全釋放時，運行工況下的軸向壓力最大，由于壓桿效應，可能引起管線的整體失穩。
(2)局部失穩。從管道局部看，管道屬于薄殼體。在軸向應力的作用下，管道可能出現局部皺結，引起局部失穩。
(3)橢圓化變形。橫斷面上的土壤荷載和交通荷載也會使管道界面產生橢圓化變形，過大的橢圓化變形也會使管道產生破壞。
3 大管徑直埋管道的設計要點[3—7]
3．1 局部失穩和橢圓化變形
在直埋敷設熱力管道中，當管徑小于500mm時，管道只會出現無限塑性流動、循環塑性變形、疲勞破壞和整體失穩，而不會出現其他形式的破壞。在強度計算中，滿足相應破壞方式的強度條件時，管徑500mm以下的管道將處于安全狀態。當管徑大于500mm時，除上述破壞方式外，局部失穩和截面橢圓化變形將成為大管徑直埋管道的主要失效方式。因此，必須使管道滿足新的強度條件，才能處于安全狀態。
(1)局部失穩
產生局部失穩的因素是管道的軸向應變，軸向應變取決于熱脹變形的大小和釋放程度。此外，產生局部失穩的可能性還與管道的截面參數有關。在軸向應變相同的管道中，局部失穩的可能性隨著管壁的增厚而減小，隨著鋼管平均半徑的增大而增加。
管材材質為Q235鋼，可采用下列公式作為驗算鋼管管壁局部穩定性的強度條件[6]。
當計算極限狀態應力時：
若rave／δ≤28．7，σmax≤334MPa；
當計算極限狀態溫差時；
若rave／δ≤28．7，Δt≤130℃；
式中：rave——鋼管的平均半徑，m；
δ——鋼管的壁厚，m；
σmax——管道最大軸向應力，MPa；
Δt——管道工作與安裝溫差，℃。
(2)橢圓化變形
產生徑向變形的原因是管道上作用的垂直荷載，包括土壤荷載和車輛荷載。土壤荷載隨著管道的埋深增加而加大，車輛荷載則隨管道的埋深增加而減小。同樣，徑向變形的大小也與管道的截面參數有關，在相同的垂直荷載作用下，鋼管平均半徑越大，徑向變形越大，管壁越厚，徑向變形越小。
驗算土壤壓力和車輛荷載作用下控制鋼管截面橢圓化變形的穩定條件為：保證鋼管截面的徑向變形不大于鋼管外徑的30％[3]。
3．2 設計要點
在大管徑直埋管道設計中，除按照規程進行強度設計外，同時還要采取相應的措施來避免出現整體失穩、局部失穩和橢圓化變形。
(1)適當增加鋼管壁厚，增大管道的剛度，以增大抗失穩能力，保證不出現截面橢圓化變形和局部失穩。采取增加覆土深度及避免在管線附近平行開溝等措施，增大外界的抗縱向失穩反力和保持外界抗水平失穩能力，防止出現整體失穩。
(2)采用預應力安裝方式，提高安裝溫度，減小運行工況下的溫升及相應的軸向應力，降低熱脹變形量，防止出現局部失穩的現象。
(3)通過設置補償器或彎管的方法，提高熱脹變形的釋放程度，保證不出現局部失穩。
4 應用實例[5]
某熱電廠供熱管網干線采用直埋敷設方式。設計條件：熱網設計供水溫度為150℃，供水壓力1．6MPa，最大管徑為1000mm。管材材質為Q235鋼，管頂埋深為1～3m。
由于供水溫度高，為滿足管道穩定性條件，供熱管網采用了有補償直埋敷設方式。在大小頭管徑較大的一側設置固定墩，管徑較小一側設置補償器。管網中采用高密度聚乙烯預制保溫管及耐高溫的聚氨酯保溫材料。
考慮到管徑大，鋼管相對來說是薄壁殼體，必須對管道的局部失穩進行校核計算。由于管道內的最大軸向應力發生在固定墩處，因此，固定墩處的應力必須同時滿足以上2種校核計算結果。固定墩與補償器之間的距離也以此為依據進行確定。
針對管道局部結構不連接處產生峰值應力的現象，對彎頭、大小頭、三通和折角處采取下列措施將應力釋放，避免引起管道的低循環疲勞破壞。
(1)使用大彎曲半徑的彎頭，所有直埋管道大口徑彎頭的彎曲半徑不小于3．5倍公稱直徑。彎頭的壁厚比相同管徑的鋼管壁厚多2mm。同時在管道安裝完畢回填砂以前，在彎頭附近一定范圍的彎壁內設置泡沫墊片，以增加彎壁吸收變形的能力。
(2)在大管徑直埋管道上設置的三通采用帶加強板的三通。三通支管距固定點的距離為10～12m，當距離較大時在支管一定長度內設置泡沫墊片用以保護三通。在三通支管上設置補償器或Z型彎來降低三通處的應力，補償器或Z型彎距主管的距離為20～25m。在部分三通支管管徑較小時，也采用了平行三通的布置方法。
(3)針對地下敷設的管道易產生折角的現象，在管道布置中將大折角分解為幾個小角度折角進行敷設。對于相距較近的折角，由于將其分解為小折角會很困難，則采用大彎曲半徑的彎管來代替大折角，從而避免了折角處有預應力集中而產生低循環疲勞破壞或局部失穩破壞。
參考文獻：
[1] GJJ／T81—98，城鎮直埋供熱管道工程技術規程[S]．
[2] 何 聰，趙玉軍，李祥瑞．無補償預熱直埋敷設方式的探討[J]．煤氣與熱力，2002，(5)：452—454．
[3] 王 鋼，鄭 斌，張 黎．大管徑直埋供熱管道設計方法初探[J]．區域供熱，2000，(3)：19—21．
[4] 王 剛，賀 平，董樂義．直埋供熱管道強度設計方法及安裝方式[J]．區域供熱，1998，(4)：3—8．
[5] 天津市熱電公司．天津市熱電公司科技進步成果介紹[J]．區域供熱，2000，(1)：10—13．
[6] 蘭德勞夫P(著)，賀 平，王 剛(譯)．區域供熱手冊[M]．哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1998．
[7] 馬志發，趙志清．大管徑直埋供熱管道的預應力直埋敷設[J]．煤氣與熱力，2002，(2)：188—190．
