近年來隨著城市供熱管網的不斷發展，熱水管道直埋技術日益成熟，并越來越多地應用于城市供熱工程中^[1-3]。直埋敷設管道中各點的熱位移、摩擦力及管道應力等參數隨供熱管道升溫、降溫發生變化^[4、5]，由于管道布置形式不同，管道最不利的狀態不一定為管道達到最高工作溫度及管段處于錨固段時。有些管段因增設補償器，使管段處于過渡段內工作，但由于管段的各種參數隨著供熱管道升溫、降溫發生變化，從而導致工作狀態偏離設計狀態，對管件造成破壞。本文通過分析某種布置的管段應力、熱位移的變化研究直埋管段熱位移對管道安全的影響。

1 直埋敷設管道的管段類型
　　直埋敷設供熱管道根據管道變形及應力分布特點一般可分為過渡段、錨固段^[5-8]。
　　①過渡段
　　過渡段的一端為固定端(指固定點、駐點或錨固點)，另一端為活動端(補償器或彎頭)，當管道溫度變化時，能產生熱位移。
　　在過渡段的活動端處，溫度變化時管段基本處于自由伸縮狀態，隨著溫度的不斷升高，管段活動截面從活動端逐漸移向固定端，由于管段與周圍土壤之間的摩擦力作用，管段熱伸長受阻。隨著管段活動截面逐漸接近固定端，摩擦阻力增加至與溫升產生的熱應力相等，該點管道截面受力平衡，管段不能再向活動端伸長，從而進入自然錨固狀態，該點即為自然錨固點。過渡段中由于各點都有不同程度的熱位移，熱應力得到部分釋放，因此過渡段的軸向熱應力從活動端的零值逐漸增加至固定端的最大值。
　　②錨固段
　　錨固段由于受土壤摩擦力的作用，管段熱伸長受阻，當管道溫度發生變化時，不產生熱位移。在錨固段內管道的熱伸長完全轉變為軸向應力留存在管壁內，使該管段應力達到最大值。

2 長直管段的工作過程
　　在供暖期，直埋敷設供熱管道由安裝溫度逐漸上升至工作時的最高溫度，并在工作溫度下運行。在非供暖期或檢修期，管道溫度下降至最低溫度。因此直埋敷設供熱管道的工作過程是一個升溫、降溫的循環過程。
　　為分析直埋敷設供熱管道在工作過程中各種參數的變化，本文利用圖解法分析理想直埋敷設供熱管道初次升溫、初次降溫及循環工作時的工作狀態。
　　一段直埋敷設長直管段(見圖1)，點A為活動端，點B為自然錨固點。為簡化分析，設定管道工作循環最低溫度與安裝溫度相等，且不考慮補償器的阻力，并認為該管段在彈性狀態下工作。點A至點B的長度為Lc。圖1中橫坐標為長度L(單位為m)，縱坐標為摩擦力F(單位為N)、應力σ(單位為Pa)、應變ε、溫升t(單位為℃)等參數。
圖1 長直管段應力等參數的分布
Fig．1 Distribution of stress and other parameters of
long straight pipeline section

　　①初次升溫時的工作過程
　　圖1中CD為升溫(溫度升高△t)后管段的溫度應力曲線，OH′D為管道升溫膨脹時管道與周圍土壤之間摩擦力產生的應力曲線，2條曲線在點D相交。在點D左側，摩擦力產生的應力小于溫度應力，管段AB可產生變形。OH′D也為第1次溫升后過渡段的應力及應變分布線。點D、C、D、H′、O圍成的陰影部分的面積為過渡段第1次溫升的伸長量。
　　②初次降溫時的工作過程
　　管道降溫(溫度下降△t)后，該管段溫度應力分布曲線為線段OH′D的平行線FHE。線段OHG為管道降溫收縮時管道與周圍土壤之間摩擦力產生的應力曲線，與升溫時摩擦力產生的應力曲線大小相等，方向相反，即與OH′D對稱于OL軸。在點H左側，摩擦力產生的應力小于溫度應力，管段AB′可產生收縮變形。在點H右側，摩擦力產生的應力大于溫降產生的應力，管段B′B不能收縮。曲線OHE即為該管段第1次降溫時的應力及應變分布線。由圖1可知，當管道溫度下降至安裝溫度時，點O、H、F、O圍成的面積為點O、H′、D、C、O圍成的面積的1/2，即升溫時的熱伸長在降溫時僅能收縮1/2，而且參與收縮的管段也僅為整個過渡段長度的1/2(即L_AB′=L_B′B)。
　　③循環工作過程
　　當管道再次升溫(溫度升高△t)后，該管道溫度應力曲線為OHE的平行線CH′D，而管道由于溫升摩擦力產生的應力曲線仍為OH′D。在圖1中點H′左側，摩擦力產生的應力小于升溫產生的應力，管段AB′可受熱伸長。在圖中點H′右側，摩擦力產生的應力等于溫升產生的應力，管段B′B不能伸長。由以上分析可知，彈性工作狀態下管道初次升溫、降溫與循環工作時的狀態有所不同。

3 短過渡段的工作過程
　　當實際過渡段長度小于極限過渡段長度時，應注意分析各種工作過程中熱位移、摩擦力及管道應力等各種參數的變化及與相鄰過渡段之間的相互影響。
　　一段直埋敷設供熱管段(見圖2)，兩端均為活動端，A端為軸向型補償器，B端為豎向彎頭，在立管上設置復式拉桿型波紋管補償器。點C為初次升溫運行時的駐點。為簡便分析，假定升溫、降溫的溫差均為△t。
　　①初次升溫時的工作狀態
　　初次升溫時，管道的工作壓力在A端產生壓應力σ₁(單位為Pa)，在B端產生拉應力σ₂(單位為Pa)。隨著管道工作溫度的升高，線段GH為管段AC升溫伸長時與周圍土壤之間的摩擦力產生的應力曲線，線段HI為管段CB升溫伸長時與周圍土壤之間的摩擦力的應力曲線。經比較，溫度應力曲線DEF上的任意值均大于摩擦力產生的應力曲線GH及HI上的對應值，交點H對應管段駐點C，因此曲線GHI為管段AB初次升溫時的應力及應變分布線。

圖2 短過渡段應力等參數的分布
Fig．2：Distribution of stress and other parameters of short
transition pipeline section

　　②初次降溫時的工作狀態
　　初次降溫時，由于溫度下降、管道收縮時摩擦力產生的應力曲線分別為線段GJ和IJ，溫度應力曲線為GHI的平行線XYZ。經比較，溫度應力曲線XYZ上的任意值均大于摩擦力產生的應力曲線GJ及IJ上的對應值，因此曲線GJI為管段AB初次降溫時的應力及應變分布線。交點J對應管段節點C′，因此降溫運行時管道駐點移至點C′。
　　此時管段AC′收縮量為點G、J、N、Y、X、G圍成的面積，管段C′B收縮量為點I、J、N、Z、I圍成的面積。
　　③再次升溫時工作狀態
　　管道再次升溫時溫度應力曲線為GJI的平行線DST。管道升溫伸長時摩擦力產生的應力曲線分別為線段GH及HI，交點H再次對應管段節點C，因此再次升溫運行時管道駐點又移至點C。溫度應力曲線DST上的任意值均大于摩擦力應力曲線GH及HI上的對應值，因此曲線GHI為管段AB再次升溫時的應力及應變分布線。
　　此時管段AC伸長量為點D、M、H、G、D圍成的面積，管段CB伸長量為點H、M、S、T、I、H圍成的面積。
　　④循環工作狀態
　　由以上分析可知，管段在循環工作過程中駐點位置在點C、C′間移動，管段的部分伸長量從A側轉移至B側。降溫時管段AC′增加的收縮量(圖2中降溫變形量)當再次升溫后會增加到管段CB的伸長量(圖2中升溫變形量)上。因此會導致管段A端的軸向型補償器升溫變形后，在降溫時不能回到初始狀態，而是被拉長，而管段B端的復式拉桿型補償器升溫變形后，在降溫時也同樣不能回到初始狀態，而是由于位移量的增大，偏向右側。這樣循環工作若干次后，會導致A端的軸向型補償器處于受拉狀態，直至破壞，而B端的復式拉桿型補償器則會因為超過額定補償量而損壞。

4 結語
　　由于實際工程中影響管道布置的因素很多，管道布置的類型各不相同，且過渡段內管道作用力、應變、應力及位移的變化情況較復雜。若管道布置不合理，會對管件造成不同程度的破壞，從而會影響到整個管網的正常運行，造成不必要的損失。因此設計人員在進行直埋供熱管道布置時，不僅應計算管道最高循環工作溫度下的熱位移以及對管道進行受力計算及應力驗算，還應盡量避免過多設置補償器而形成過渡段較多的情況，并核算分析直埋管道在工作溫度循環變化過程中管道應力、摩擦力的變化，以免造成管件的破壞，影響管道的安全性。