隋樹波，張 偉

（山東華能臨沂發(fā)電有限公司，山東 臨沂 276000）

0 引言

集中供熱相對眾多分散的小鍋爐，具有環(huán)保、節(jié)能、方便舒適、安全衛(wèi)生、節(jié)約土地、節(jié)約費用的優(yōu)勢，目前已成為現(xiàn)代化城鎮(zhèn)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，是城鎮(zhèn)公共事業(yè)的重要組成部分。隨著城市化發(fā)展進程，集中供熱快速發(fā)展，供熱面積不斷擴大，對供熱管道的直埋敷設(shè)技術(shù)要求也越來越高。如何更好的節(jié)約成本，確保管網(wǎng)的運行安全成為供熱行業(yè)的重要課題。供熱管道直埋技術(shù)就是將預(yù)制的保溫管道直接埋入地下，利用管道自身的機械強度及其附件來共同承受管道供熱時產(chǎn)生的熱應(yīng)力的一項技術(shù)。經(jīng)過多年的實踐與發(fā)展，為滿足供熱系統(tǒng)運行的安全可靠，同時盡量減少投資和維護方便，目前供熱管道存在多種的敷設(shè)方式。本文將通過對不同的敷設(shè)方式進行技術(shù)經(jīng)濟比較，分析探討其優(yōu)缺點。

1 直埋管道破壞的方式

供熱管道的設(shè)計壓力一般為0.6～2.5 MPa；通過對管道的應(yīng)力分析，可知其內(nèi)壓力的實際應(yīng)力遠遠小于管材的屈服應(yīng)力。由于管道的溫升使管道產(chǎn)生了較大的軸向力和壓應(yīng)力，所以在管道設(shè)計與選擇中應(yīng)予以充分的重視。熱力管道主要存在以下5種破壞方式：

1）循環(huán)塑性變形。溫度變化對管道的循環(huán)塑性變形起決定性作用。當(dāng)較大的溫度變化，而熱脹變形又不能完全釋放時，在加熱過程中，管壁因軸向壓應(yīng)力而產(chǎn)生軸向壓縮塑性變形；而冷卻時，管壁因軸向拉應(yīng)力而產(chǎn)生軸向拉伸塑性變形；當(dāng)溫差超過一定范圍后，將會出現(xiàn)管道破壞的現(xiàn)象。

2）低循環(huán)疲勞破壞。應(yīng)力集中通常發(fā)生在管線中的彎頭、三通、大小頭及折角處。在溫度變化過程中，應(yīng)力集中在管道結(jié)構(gòu)不連續(xù)處產(chǎn)生的峰值應(yīng)力，會引起管道的疲勞破壞。

3）高循環(huán)疲勞破壞。車輛重量通過車輪和土壤，可作用在車行道下的管道上，使管道局部截面產(chǎn)生橢圓變形，相應(yīng)的會產(chǎn)生應(yīng)力集中。

4）整體失穩(wěn)。直埋管道在運行工況下的軸向壓力最大，由于壓桿效應(yīng)，可能會引起管線的整體失穩(wěn)。特別是對于溫升較大的無補償冷安裝方式，溫升作用完全轉(zhuǎn)化為很高的軸向壓力，極易出現(xiàn)整體失穩(wěn)破壞。對此，CJJ/T104-2005《城鎮(zhèn)直埋供熱管道技術(shù)規(guī)程》中有詳細的公式計算，滿足其計算即可保證DN500以下的管道整體不出現(xiàn)失穩(wěn)情況。

5）局部失穩(wěn)。一方面是管道的軸向應(yīng)變，即熱脹變形的大小和熱脹變形的釋放程度。另一方面從管道局部看，管道屬于薄壁殼體，在軸向壓力作用下，管壁存在受壓局部失穩(wěn)的問題。通過公式計算表明，局部失穩(wěn)的可能性，隨著管壁的增厚而減小，但隨著鋼管平均半徑增大而增加。因此，一定的覆土深度對應(yīng)一定的鋼管臨界壁厚。

從以上的5種破壞方式來看，熱力管道的運行安全與軸向應(yīng)力有密切的關(guān)系，而軸向應(yīng)力主要取決于溫度應(yīng)力。當(dāng)管道直徑大于DN500時，局部屈服的可能性大大增加，為了降低局部屈服的可能性，必須對溫度應(yīng)力進行控制，同時根據(jù)不同的控制方式方法考慮直埋管道的敷設(shè)方式。

2 直埋管道敷設(shè)方式的探討與選擇

以熱源供水溫度為130℃，回水溫度為70℃；安裝的環(huán)境溫度為10℃，管道規(guī)格為Φ1020×10為例，探討比較典型管道的幾種敷設(shè)方式。

2.1 無補償冷安裝方式

無補償冷安裝方式是最簡單最經(jīng)濟的安裝方式，即管道在覆土前不加預(yù)應(yīng)力，也不設(shè)置補償器。由于土壤摩擦力的存在，管道將存在錨固段、滑動段。當(dāng)管道處于錨固段時，熱脹應(yīng)力全部轉(zhuǎn)化為溫度應(yīng)力，使管道在運行工況下承受較高的軸向壓力。所以錨固段管道的最大壓應(yīng)力與最大溫度變化成正比；當(dāng)管道處于滑動段時，熱脹應(yīng)力不能全部轉(zhuǎn)化為溫度應(yīng)力，管道將受熱伸長。管道在無補償冷安裝方式下，其受力及管道伸長情況示意見圖1。

計算實例中管道錨固段軸向熱應(yīng)力為

管道局部屈服的軸向臨界應(yīng)力：

式中：σ為軸向熱應(yīng)力，MPa；σer為管道局部屈服的軸向臨界應(yīng)力，MPa；Δt為管道運行的最高溫度（t1）與安裝溫度之差 （t0），℃；E為鋼管的彈性模量，MPa；α 為鋼材的線膨脹系數(shù)，m/m.c；δn為鋼管實際壁厚，mm；Rm為圓筒的平均半徑，mm。

圖1 無補償冷安裝管道運行時的受力及熱伸長示意圖

由計算得，管道的軸向熱應(yīng)力小于3倍許用應(yīng)力值，但是大于管道的局部屈服軸向臨界應(yīng)力，所以不能滿足局部屈服的條件。因此無補償冷安裝方式由于管壁局部屈服的危險限定了冷安裝的溫度上限，只有在低于一定溫度條件下采用冷安裝才是安全的。

由（1）、（2）計算公式推導(dǎo)出：

t1=σ/（E×α）+t0=σer/（E×α）+t0=110 ℃

由此可知在此條件下管道的最高運行溫度為110℃。

同時為滿足管道局部不失穩(wěn)的情況下需校核管道的壁厚

σer=0.0625×E×δn/Rm

所以 Rm＜40.1 δn即 δn＞12.7mm

得出無補償冷安裝對于大管徑的管道壁厚要求較高。

2.2 敞溝預(yù)熱安裝方式

管道預(yù)熱安裝方式是管道在回填前進行預(yù)熱，加熱到預(yù)熱溫度時進行回填。當(dāng)管道運行溫度等于預(yù)熱溫度時，管道應(yīng)力為零，管道運行達到最高溫度時，管道受到壓應(yīng)力，當(dāng)管道恢復(fù)至環(huán)境溫度時，管道產(chǎn)生拉應(yīng)力，即產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力效果。敞溝預(yù)熱方式可以節(jié)省預(yù)熱管段的補償器和固定頓，從而減少工程的造價。

預(yù)熱為管道平均應(yīng)力為零時的溫度，該溫度稱為循環(huán)中間溫度，以Tm表示。式中：t1為管道運行的設(shè)計供水溫度，℃；t2為管道運行的設(shè)計回水溫度，℃；Tm為循環(huán)中間溫度,℃。

預(yù)熱管道的位移量

式中：ti為預(yù)熱管道的環(huán)境溫度，℃；Tm為預(yù)熱溫度，℃；Lpr為預(yù)熱管道長度，m。

由于管道預(yù)先有了預(yù)應(yīng)力，使管道的最大熱位移小于冷安裝的首次熱位移。

通過計算預(yù)熱安裝的錨固段的管道最大壓應(yīng)力與最大溫度變化之半成正比：

有此可見預(yù)熱安裝的最大壓應(yīng)力為冷安裝最大壓應(yīng)力的一半，管壁的局部屈服的危險性降低了，這樣有利于大口徑管道的安裝。但是與無補償冷安裝相同，其管道的最大壓應(yīng)力與最大的溫度變化有關(guān)，所以也存在一個運行的最高溫度值。預(yù)熱安裝管道受力及管道伸長情況示意見圖2。

圖2 預(yù)熱安裝管道受力及管道伸長情況示意

由（1）、（2） 計算公式推導(dǎo)出：

假定安裝的環(huán)境溫度為10℃，σ取極限值，即3倍許用應(yīng)力值，許用應(yīng)力按照125 MPa計算。則供熱管道的最高工作溫度為143.6℃；而此時管道的最大壓應(yīng)力為

所以敞溝預(yù)熱方式對大管徑或小管徑的供熱管道普遍適用。

同時為滿足管道局部不失穩(wěn)的情況下需校合管道的壁厚：

所以 Rm＜71δ，即 δ＞0.007 18m

得出，預(yù)熱安裝時管道的壁厚也比冷安裝的要求較低。

2.3 采用一次性補償器覆土后預(yù)熱

采用一次性補償器覆土后預(yù)熱是將管道分段設(shè)置一次性補償器，管道安裝后可立即回填。在首次加熱過程中，當(dāng)補償管段的熱脹變形量達到在預(yù)熱溫度下的自由膨脹變形量時，就可焊接一次性補償器。通過多次的溫度變化，使應(yīng)力均勻分布，從而達到預(yù)應(yīng)力效果。管道受力情況示意見圖3。

式中：Tdp為計算管道的預(yù)熱溫度，℃；Tm為循環(huán)中間溫度，℃；Lc為一次性補償器到固定點或駐點的距離,即管道分段長度，m；F為土壤對管道的摩擦力，N/m；A為鋼管管壁的橫截面積，m2。

覆土后管道初運行，工作循環(huán)最高溫度下的最大壓應(yīng)力：

一次性補償器處 δc1=E×α×（T1-Tdp）

管段與一次性補償器相對應(yīng)的另一端

覆土后管道初運行，工作循環(huán)最低溫度下的最大拉應(yīng)力：

一次性補償器處 δd1=E×α×（Tdp-T2）

管段與一次性補償器相對應(yīng)的另一端

管道內(nèi)應(yīng)力均布后，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力為：

最大拉應(yīng)力 δdmax=E×α×（Tm-T2）

最大壓應(yīng)力 δcmax=E×α×（T1-Tm）

于冷安裝相比，覆土預(yù)熱安裝和敞溝預(yù)熱一樣，管道的應(yīng)力水平下降近一半，因此管壁的屈服危險性降低了。與敞開式預(yù)熱安裝相比，其不需要敞溝和預(yù)熱，減少了施工過程中的費用和施工的難度。

圖3 覆土后預(yù)熱管道受力示意圖

2.4 采用補償器、補償彎和固定墩的敷設(shè)方式

有補償?shù)闹甭穹笤O(shè)，可以采用自然的L、Z、U型的彎管作為補償裝置，但是實際工程中不可能有條件提供這么大的占地，因此通常都采用補償器進行補償。為防止補償器受到單側(cè)不均勻膨脹變形而損壞，所以在補償器一側(cè)設(shè)置固定墩。對于應(yīng)力集中的彎頭、三通、大小頭等地方設(shè)置固定墩來保護應(yīng)力集中的管件。

管道系統(tǒng)由于安裝了補償器，使得管道的熱脹應(yīng)力在熱態(tài)運行中得到了釋放，避免了部分管線被完全錨固，因此管道的應(yīng)力保持在較低的水平上，也使管壁局部屈服的危險性最小。管道受力情況示意見圖4。

圖4 有補償管道達到最高溫度受力分析示意圖

由于增加了固定墩和補償器，管道的熱脹變形在熱態(tài)的時候得到了充分的釋放，使得整個管段完全處于滑動狀態(tài)。因此管道的應(yīng)力降到最低，管壁的局部屈服的危險也最小。同時使得工程的投資相應(yīng)的增加。但是為了減少工程的投資，也可以將供熱管道的供回水管道采取不同的敷設(shè)方式，確保工程的設(shè)計方案在技術(shù)經(jīng)濟方面安全、合理。

3 結(jié)論

通過對影響管道溫度應(yīng)力的因素分析，對各種敷設(shè)方式在參數(shù)上作了比較，表1所示。

表1 不同管道敷設(shè)方式優(yōu)缺點對比

通過表1比較可得出不同安裝方式的優(yōu)缺點，在滿足冷安裝的條件下應(yīng)積極的采用冷安裝方式，但是從管道運行安全的角度考慮，對于大管徑、大溫差的管道應(yīng)采用預(yù)熱的方式及有補償?shù)姆绞竭M行敷設(shè)。