張朝偉

（天津海運職業(yè)學院 天津 300350）

城市供熱管網(wǎng)的敷設方式按管網(wǎng)敷設位置分為地上敷設與地下敷設。地上敷設即為架空敷設，是將供熱管道敷設在地面上的獨立支架或者建筑物上，此種敷設方式結構簡單、便于維修、工程造價低，但管網(wǎng)熱損失相對較大，而且不美觀。因此，我國目前城市供熱管網(wǎng)普遍采用地下敷設方式，地下敷設方式分為地溝敷設與直埋敷設。地溝敷設是將管道敷設在地溝中，管道本身不承載外界荷載，但地溝敷設方式需砌筑地溝，土建工程量較大，工程造價高，施工周期長。直埋敷設是將管道直接埋設于土壤中，無需砌筑地溝，與地溝敷設方式相比具有工程造價低，占地少、施工快的優(yōu)勢，同時由于采用聚氨酯硬質泡沫塑料作為保溫層和高密度聚乙烯材料作為管道保護殼，又具有熱損失小，防腐性能好，使用壽命長的優(yōu)點。因此在我國直埋敷設方式已經(jīng)取代地溝敷設方式，成為城市供熱管網(wǎng)的主要敷設方式。

1 直埋敷設方式的應力驗算

直埋供熱管道運行的安全性取決于管道的應力大小，按照管道應力計算規(guī)則，可分為由管道中工作壓力和自重產(chǎn)生的一次應力，由熱脹冷縮受外力約束時產(chǎn)生的二次應力即熱應力，以及承受一次應力和二次應力的直管道向管道不連續(xù)處的管件如彎頭、三通、變徑處釋放變形，在管件處產(chǎn)生的峰值應力。對于直埋敷設方式而言，熱應力作用遠遠高于內(nèi)壓與自重產(chǎn)生的一次應力，對管道應力影響最為顯著。因此，直埋供熱管道熱應力的大小是其能否安全運行的最重要因素。

直埋管段的應力驗算方法有兩種，即彈性分析法和彈塑性分析法。

1.1 彈性分析法

按第四強度理論—變形能強度理論進行應力驗算。這種分析方法認為管道只能在彈性狀態(tài)下工作，不允許出現(xiàn)塑性變形，管道出現(xiàn)塑性變形即產(chǎn)生破壞。

1.2 彈塑性分析法

采用安定性分析原理，按第三強度理論—最大剪應力強度理論進行應力驗算。按此方法計算，管道容許有限量的塑性變形，管道可在彈塑性狀態(tài)下運行。目前我國現(xiàn)行《CJJ/T81-98城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術規(guī)程》采用彈塑性分析法進行管道應力驗算。

兩種應力驗算方法均可采用求出管道在錨固條件下滿足應力驗算條件的最大允許溫差的方式進行簡化驗算。即如果運行與安裝溫差控制在最大允許溫差以內(nèi)便認為管道能夠安全運行，運行與安裝溫差超過最大允許控制溫差則認為管道不能安全運行，需要增設補償裝置。兩種分析法下最大允許溫差見下表1。

表1 彈性分析法與彈塑性分析法計算控制最大溫差對比

可以看出在同一工作壓力、同一管徑的供熱管道在彈塑性分析法下的最大允許控制溫差比彈性分析法下最大允許控制溫差高得多，所以在彈塑性分析法下認為大多數(shù)情況的供熱管道能夠在不安裝補償裝置的情況下安全運行，這就是安定性分析原理的最大特點。彈塑性分析法已經(jīng)得到了北歐一些供熱技術先進國家認可并進行采用。

2 直埋敷設方式的有補償敷設與無補償敷設

直埋供熱管網(wǎng)的敷設方式按照是否允許出現(xiàn)無補償管段可分為有補償敷設與無補償敷設。

2.1 有補償敷設

是指在通過管道應力驗算后不能滿足強度與穩(wěn)定性要求時，在管道上設置補償器的方式吸收管道由熱脹冷縮產(chǎn)生的熱應力。

常見補償器有自然補償器、波紋管補償器、套筒補償器及球形補償器。其中自然補償器與波紋管補償器是利用材料的變形來吸收熱伸長量，套筒補償器和球形補償器是利用管段位移來吸收熱伸長量。通過設置補償器能夠有效防止供熱管道升溫時產(chǎn)生熱應力的作用而引起管道變形或破壞。但增設補償器也有其不可避免的弊病，首先由于增設補償器，增加了供熱管網(wǎng)的初投資。其次采用補償器取代管道，本身就形成了管道的危險點，增加了管網(wǎng)的事故率。因此，在供熱管網(wǎng)的設計中，應當科學地進行應力驗算，盡量減少補償器的設置，沒有必要使整個管網(wǎng)都處于有補償管段，這樣既減少了管網(wǎng)出現(xiàn)事故的概率，同時也降低了管網(wǎng)的工程造價。

2.2 無補償敷設

是指在通過管道應力驗算后能夠滿足強度與穩(wěn)定性要求時不增設補償裝置，使管道處于無補償管段的敷設方式。無補償敷設方式在嚴格執(zhí)行現(xiàn)行規(guī)范應力驗算方法的前提下，既保證管道可以安全運行，又比有補償敷設節(jié)約初投資15%左右，同時運行維護工作量大大減少，管道由于補償器處發(fā)生的事故率也大大降低。

目前，我國供熱管道應用無補償敷設方式可采用冷安裝與預應力安裝兩種。

冷安裝是管道焊接與管溝回填過程都處于自然環(huán)境溫度，這樣在管道安裝時管道處于零應力狀態(tài)，在管道運行時運行溫度與安裝溫度溫差較大，無補償管段的熱應力較大。是目前最常用的供熱管網(wǎng)敷設方式，廣泛應用低溫供暖系統(tǒng)及地勢平坦、地下障礙物少、分支較少的高溫供暖系統(tǒng)。

預應力安裝是目前較為先進的直埋管道敷設技術，在管道安裝過程中將預制保溫管的工作鋼管進行預熱，當管道達到設計預熱溫度和熱伸長量之后再進行回填，安裝時的預熱過程使管道通過熱伸長提前釋放熱伸長量，從而降低管道在運行時的軸向應力，從而提高管道運行時的穩(wěn)定性和安全性。

預應力安裝方式與冷安裝方式溫度、應力隨安裝運行時間推移變化的趨勢皆有所區(qū)別，分析如下：

2.2.1 冷安裝方式在自然環(huán)境溫度下進行管道敷設，t0為安裝溫度，t1為運行最高溫度，溫度隨時間變化成線性增長，如圖1（a）；預應力安裝方式在管道敷設時將安裝溫度提升到tm,敷設后在管網(wǎng)運行前溫度下降到t0，運行最高溫度依然為t1，如圖1(b)。

圖1 冷安裝方式與預應力安裝方式溫度隨時間變化圖對比

2.2.2 無補償敷設冷安裝方式在自然環(huán)境溫度下管道處于零應力狀態(tài)，在運行工況下，管道全部處于無補償狀態(tài)，隨著溫度的升高，管道內(nèi)應力逐步升高，到運行最高溫度t1，管道內(nèi)應力為σ1=αE(t1-t0)，如圖2（a）。而預應力安裝方式由于管道在安裝時進行預熱，管道通過熱伸長釋放熱膨脹力，因此從t0升高到tm過程管道應力為零。當管道安裝完成后，管道的溫度下降到環(huán)境溫度t0，此時管道處于拉應力狀態(tài)，管道應力為σ0=αE(t0-tm)。在運行工況下，當管道溫度升高預熱溫度，與拉應力效果抵消，管道應力為零，產(chǎn)生預應力作用。管道溫度繼續(xù)升高，達到運行最高溫度t1，管道內(nèi)應力為σ1=αE(t1-tm)，如圖2（b）。

圖2 冷安裝方式與預應力安裝方式應力隨時間變化圖對比

通過冷安裝與預應力安裝方式溫度與應力隨時間變化圖分析可知，預應力安裝方式由于熱伸長量提前釋放，導致兩種敷設方式應力變化范圍雖然相同，但是預應力方式應力變化幅度卻僅為冷安裝方式的1/2，從而使管道的軸向內(nèi)力大幅下降，提升管道在運行狀態(tài)下的整體和局部穩(wěn)定性。

3 結語

通過以上對直埋供熱管道敷設方式的對比分析，在滿足管道應力驗算的基礎采用預應力安裝的無補償敷設方式，既減少管網(wǎng)補償裝置的初投資，又可減少管網(wǎng)的危險點，同時通過在安裝過程中對管道進行預熱，大大降低了管道運行狀態(tài)下軸向應力，提高了管道的安全性和穩(wěn)定性以及長期的使用壽命。因此無補償敷設預應力安裝方式，推動了直埋管道安裝技術的發(fā)展，必將在國內(nèi)外的直埋供熱管道施工中有一定的實際應用價值。

[1]王飛,張建偉.直埋供熱管道工程設計[M].中國建筑工業(yè)出版社,2007．

[2]CJJ/T81-98城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術規(guī)程[S]．

[3]CJJ34-2010城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設計規(guī)范[S]．