孫春輝 官燕玲 孟慶龍 江超 王軍

1長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2西安市熱力公司

0 引言

近30年來，城鎮(zhèn)直埋供熱由于對(duì)環(huán)境影響小、工程造價(jià)低、節(jié)能效果好、施工方便、使用壽命長(zhǎng)，在我國(guó)得到迅速發(fā)展。這些年來，伴隨著城市基礎(chǔ)建設(shè)的不斷完善，供熱管道直埋敷設(shè)技術(shù)也在不斷地成熟。1998年，建設(shè)部頒布了CJJ/T81-98《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》），其中的管道設(shè)計(jì)采用了材料的彈塑性理論，在直埋供熱的設(shè)計(jì)、安裝、施工中發(fā)揮了重要的作用。《規(guī)程》中明確提出其適用范圍為公稱直徑小于或等于DN500mm的管道[1]。目前，由于城市集中供熱發(fā)展的需要，很多工程為大口徑直埋管道，現(xiàn)有《規(guī)程》已不能滿足目前的設(shè)計(jì)需要。2005年建設(shè)部218號(hào)公告中明確了直埋供熱管道工程的設(shè)計(jì)原則是使預(yù)制保溫管系統(tǒng)中的管道、管件在設(shè)計(jì)條件下均能滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度條件和穩(wěn)定性要求，從而確保供熱管道系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。管道應(yīng)力是強(qiáng)度條件和穩(wěn)定性要求的重要指標(biāo)。

上世紀(jì)六十年代，北歐的丹麥、芬蘭等國(guó)家利用砂箱實(shí)驗(yàn)的方法，測(cè)得高密度聚乙烯外殼聚氨酯發(fā)泡保溫的預(yù)制直埋管道與回填砂子之間的摩擦力，再通過理論分析得出管道的應(yīng)力狀況[2]。上世紀(jì)七十年代末，北京市煤氣熱力設(shè)計(jì)所做了熱力管道直埋敷設(shè)的地坑實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)分為冷試及熱試兩部分，管道采用整體模壓瀝青珍珠巖保溫，是一種模擬實(shí)驗(yàn)，且管徑上限為DN500mm[3]。該試驗(yàn)為直埋敷設(shè)的推廣起到了先導(dǎo)作用。2005年，太原理工大學(xué)和太原市熱力公司合作，共同完成了大口徑預(yù)制直埋供熱管摩擦系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[4]。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)對(duì)大口徑直埋保溫管進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，主要方法是通過測(cè)量實(shí)際運(yùn)行的大口徑管道的管長(zhǎng)隨溫度的變化，來推導(dǎo)管道摩擦力的大小，進(jìn)而分析管道的應(yīng)力狀況。

鑒于目前我國(guó)城市供熱直埋敷設(shè)中大口徑管道的大量應(yīng)用，而相關(guān)的理論依據(jù)較少，本文提出一種對(duì)大口徑直埋供熱管道應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)試方法。本測(cè)試旨在為大口徑供熱直埋管道的應(yīng)力狀況的深入研究提供基本數(shù)據(jù)。

1 應(yīng)變測(cè)試原理

本文所提出的供熱管道應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法的基本原理，是結(jié)構(gòu)工程中用來測(cè)量構(gòu)件物載荷的方法，主要是通過電阻應(yīng)變計(jì)來實(shí)現(xiàn)的。

如圖1，將四個(gè)規(guī)格相同的電阻應(yīng)變片組成惠斯通電橋，在一定的輸入電壓U下，電橋可把橋臂上微小電流的變化通過輸出電壓u的變化表現(xiàn)出來。

圖1 應(yīng)變片組成的惠斯通電橋

當(dāng)構(gòu)件受載荷作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生微小的形變，緊貼在構(gòu)件上的電阻應(yīng)變片，會(huì)跟隨構(gòu)件發(fā)生同等形變，使得應(yīng)變片電阻產(chǎn)生微小的變化，從而引起該應(yīng)變片所在橋路的電流變化，該電流變化與該構(gòu)件的微小形變之間的量化關(guān)系是特定的，所以通過對(duì)輸出電壓（電流的表征量）的檢測(cè)可以得出構(gòu)件的應(yīng)變。

如圖 1 所示，四個(gè)應(yīng)變片分別記為 R1、R2、R3、R4。根據(jù)惠斯通電路原理，輸入電壓為U時(shí)，輸出電壓u為：

引入應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)為 K（K=ΔRi/(Riεi)是應(yīng)變片的物性參數(shù)），則式（1）可以改寫為：

材料的電阻值除了和其幾何特性有關(guān)外，還受到溫度的影響。本次測(cè)試的管道設(shè)計(jì)溫度上限為130℃，對(duì)電阻應(yīng)變片阻值的影響很大，本次應(yīng)變測(cè)試須考慮溫度的影響。應(yīng)變片電阻絲材料的電阻溫度系數(shù)記為αR，10-6/℃，則在溫差△T下，溫度產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)椋?/p>

在實(shí)際的工程測(cè)量中，一般根據(jù)不同的測(cè)試需求與實(shí)際條件，選擇合適的電橋形式。本次測(cè)試主要選擇單臂電橋（根據(jù)電橋的變量支路數(shù)目不同，將電橋分為單臂橋、半橋和全壁橋）的方式。在本測(cè)試中，選取規(guī)格相同的四個(gè)電阻應(yīng)變片，將一片粘貼在測(cè)試鋼管上，稱為測(cè)試片；其余三個(gè)應(yīng)變片貼在跟管道同材質(zhì)的鋼板（處于與鋼管同環(huán)境的自然條件下）上，稱為基準(zhǔn)片。將這四個(gè)應(yīng)變片用屏蔽線組成惠斯通電橋，應(yīng)變片的連接如圖2、圖3所示。

圖2 貼在鋼管上的測(cè)試片

圖3 貼在鋼板上的基準(zhǔn)片

測(cè)試時(shí)，貼在同一個(gè)鋼板上的三個(gè)應(yīng)變片由于所有的條件相同，具有相同的應(yīng)變。記粘貼應(yīng)變片時(shí)的環(huán)境溫度為T0（℃）；鋼管的溫度為T1（℃）；鋼板的溫度為T2（℃）。測(cè)試片的機(jī)械應(yīng)變記為εjxc，基準(zhǔn)片的機(jī)械應(yīng)變記為 εjxj，表示一定尺寸的鋼板在溫差 ΔT2（ΔT2=T2-T0）下自由熱伸長(zhǎng)時(shí)對(duì)應(yīng)的膨脹應(yīng)變（εjxj=αΔT2，α 為鋼材的線膨脹系數(shù)，m/(m·℃)）。應(yīng)變計(jì)所測(cè)的應(yīng)變等于應(yīng)變片的機(jī)械應(yīng)變加溫度附加應(yīng)變，結(jié)合式（2）、式（3）可得：

則εjxc表示了鋼管在機(jī)械力及溫度共同作用下的實(shí)際幾何應(yīng)變。

2 管道的軸向力分析

直埋供熱管道內(nèi)充注的有壓流體作用在管壁上形成管道內(nèi)壓。內(nèi)壓力作用在變徑、彎頭、三通等非軸向壁面，產(chǎn)生軸向拉力；內(nèi)壓力作用在外壁上，使管道沿徑向擴(kuò)張，形成軸向泊松拉應(yīng)力。管道由于受到熱媒的加熱（或冷卻）作用產(chǎn)生熱伸長(zhǎng)（或收縮）的趨勢(shì)，由于土壤的束縛作用，使熱伸長(zhǎng)（或收縮）不能充分釋放（或恢復(fù)），從而產(chǎn)生了熱應(yīng)力。補(bǔ)償器的位移阻力、彎頭處的軸向力等形成了管道的活動(dòng)端阻力。

本次測(cè)試的管道布置如圖4所示。

圖4 被測(cè)管段布置示意圖

從圖4中可以看到，被測(cè)試管段所受軸向力有：補(bǔ)償器的活動(dòng)端阻力Ff，N；管道軸向每米的摩擦力F，N/m。管道在升溫作用下，一定長(zhǎng)度的鋼管會(huì)產(chǎn)生一定的熱脹趨勢(shì)，受到土壤的束縛及活動(dòng)端的阻力，熱膨脹將被壓縮，形成鋼管的壓縮應(yīng)變（記為εys），對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為管道的熱應(yīng)力，鋼管的剩余膨脹量將被應(yīng)變片測(cè)得，即εjxc，用公式表示為：

式中：Δl為管道在安裝與運(yùn)行溫差ΔT1下，不受約束時(shí)的自由伸長(zhǎng)量，Δl=αΔT1，m；l為管道軸向橫截面到活動(dòng)端的距離，m。

對(duì)于本測(cè)試管段，壓縮應(yīng)變

式中：E為材料的彈性模量，MPa；A為管道橫截面面積，m2；ν為材料的泊松系數(shù)；σt為管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力，MPa。

式中：Pd為管道的計(jì)算壓力，MPa；D 為鋼管內(nèi)徑，m；δ為鋼管公稱壁厚，m。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)的布置

本次測(cè)試選取西安市某處直埋供熱長(zhǎng)直管線的部分管段（圖4）。管路設(shè)計(jì)條件如下：設(shè)計(jì)供回水溫度130℃/70℃，設(shè)計(jì)壓力 1.0MPa，α=12.6×10-6m/(m·℃)，E=19.6×10-4MPa，管道規(guī)格 Ф850（Ф720×8），覆土深度1.1m，測(cè)試段管道處于綠花草坪下。補(bǔ)償器型號(hào)XYJ16ZT700X4-J，直徑 700mm，設(shè)計(jì)壓力 1.6MPa，軸向補(bǔ)償量120mm。

如圖4，測(cè)試點(diǎn)a（此處應(yīng)變記為εa）為補(bǔ)償器處，沿軸向依次選取距a點(diǎn)56m的點(diǎn)b（此處應(yīng)變記為εb）、160m 的點(diǎn) c（此處應(yīng)變記為 εc）處作為中間測(cè)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別測(cè)試供水管道和回水管道，在每支管道的同一橫截面布置10個(gè)應(yīng)變測(cè)試片（其中，8個(gè)軸向應(yīng)變片，1個(gè)環(huán)向應(yīng)變，1個(gè)與軸向45°夾角方位應(yīng)變）。管道溫度及鋼板溫度采集使用Pt100溫度傳感器。以測(cè)點(diǎn)a的供水管道為例，應(yīng)變片的位置布置如圖5、圖6所示。

圖5 管道橫截面貼片示意圖

圖6 管道貼片現(xiàn)場(chǎng)照片

測(cè)試數(shù)據(jù)的采集采用無線傳輸?shù)姆绞?。?yīng)變片的電壓信號(hào)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊變成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過無線發(fā)射模塊變成射頻信號(hào)并發(fā)射，射頻信號(hào)經(jīng)無線接收模塊接收并轉(zhuǎn)回?cái)?shù)字信號(hào)，通過數(shù)據(jù)線路與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)程序的指令下自動(dòng)保存數(shù)據(jù)。該過程的流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集原理流程圖

4 測(cè)試數(shù)據(jù)的分析和處理

管道產(chǎn)生軸向應(yīng)力的主要因素是土壤與管道之間的摩擦力，故本次測(cè)試結(jié)果擬采用土壤摩擦系數(shù)的形式給出。

以測(cè)點(diǎn)a、b之間的供水管段為分析對(duì)象，測(cè)點(diǎn)a的應(yīng)變?nèi)」艿郎?個(gè)軸向應(yīng)變的平均值，記為ε0；同樣，測(cè)點(diǎn)b的應(yīng)變記為ε1。管道的摩擦力從a點(diǎn)開始，沿軸向與測(cè)點(diǎn)間距離成正比例關(guān)系，管道應(yīng)變也相應(yīng)的成正比例關(guān)系。結(jié)合式（5）～（6）可得，

不考慮自重的情況下，單位長(zhǎng)度直埋敷設(shè)保溫管的外殼與土壤之間的摩擦力按下式計(jì)算[1]：

由于大口徑管道本身自重大，當(dāng)管道產(chǎn)生軸向位移時(shí)，自重產(chǎn)生的管道與土壤之間的摩擦力不可忽略。對(duì)于DN1400mm，埋深1.0m的管道，自重引起的單位長(zhǎng)度摩擦力約占總單位長(zhǎng)度摩擦力的12%[5]?？紤]管道自重G（包括管道鋼管、保溫及管內(nèi)介質(zhì)重量）時(shí)，管道與土壤間的摩擦力計(jì)算公式應(yīng)為：

結(jié)合式（8），管道與土壤間摩擦系數(shù)計(jì)算公式為：

本測(cè)試中，將得到一定溫度下的摩擦系數(shù)，通過軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)的整合分析，得出實(shí)際運(yùn)行管道與土壤間的相互作用在溫度與外界條件下的變化規(guī)律。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試照片

圖9 補(bǔ)償器井供水管一次數(shù)據(jù)采集完成后應(yīng)變界面

5 測(cè)試的進(jìn)程及展望

從2011年11月開始，經(jīng)過課題組的長(zhǎng)期努力，本測(cè)試從2012年12月中旬開始進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試（每天數(shù)據(jù)采集6次，每次30分鐘），測(cè)試現(xiàn)在處于穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集階段（圖8～9）。首期測(cè)試將在2013年3月中旬結(jié)束。對(duì)于測(cè)試的數(shù)據(jù)，將按照本方案進(jìn)行分析處理。

[1] 城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程(CJJ/T81-98)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1998

[2] 賀平.預(yù)制保溫管直埋敷設(shè)的設(shè)計(jì)原理[J].區(qū)域供熱,1987,(1):2-5

[3] 北京煤氣熱力工程設(shè)計(jì)所.熱力管道直埋敷設(shè)試驗(yàn)研究[Z].北京:北京煤氣熱力工程設(shè)計(jì)所,1980

[4] 王飛,張建偉.大口徑預(yù)制直埋供熱管摩擦系數(shù)變化規(guī)律的研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2007,26(1):81-84

[5] 李春慶.DN1400mm熱水直埋管道的幾點(diǎn)設(shè)計(jì)體會(huì)[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2012,(2):95-97