王興華，成紅娟

（1.蘭州市城市建設(shè)設(shè)計院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

隨著基礎(chǔ)經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，直埋熱力管道敷設(shè)方式在城市集中供熱項目中得到大量應(yīng)用，而確定直埋供熱管道是處于錨固段還是過渡段對管道應(yīng)力分析顯得尤為重要，直管段最大過渡段長度是確定直埋管道錨固點位置、計算管道熱伸長量的重要依據(jù)。文章采用應(yīng)力分類法[1～3]從管道規(guī)格、管頂覆土深度、運行條件等方面分析各因素對直管段最大過渡段長度的影響，以便為直埋供熱管道的設(shè)計工作提供參考和指導(dǎo)。

1 計算方法

1.1 鋼材的許用應(yīng)力

式中：[σ]為鋼材的許用應(yīng)力（MPa），取上述兩式計算較小值；σb為鋼材的抗拉強度最小值（MPa）；σs為鋼材的屈服極限最小值（MPa）。

1.2 管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力

式中：σt為管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力（MPa）；Pd為管道計算壓力（MPa）；Di為工作管內(nèi)徑（m）；δ為工作管公稱壁厚（m）。

1.3 工作管的屈服溫差

式中：△Ty為工作管屈服溫差（℃）；n為屈服極限增強系數(shù)，取1.3；v為鋼材的泊松系數(shù)，取0.3；α為鋼材的線膨脹系數(shù)[m/（m·℃）]；E為鋼材的彈性模量（MPa）。

1.4 土壤應(yīng)力（管道中心線位于地下水位以上）

式中：σV為管道中心線處土壤應(yīng)力（Pa）；ρ為土壤密度（kg/m3），可取 1800kg/m3；g 為重力加速度（m/s2）；H為管道中心線覆土深度。

1.5 單位長度最小摩擦力

式中：Fmin為單位長度最小摩擦力（N/m）；μmin為最小摩擦系數(shù)，中砂可取0.20；Dc為外護管外徑（m）；G為包括介質(zhì)在內(nèi)的保溫管單位長度自重（N/m）；ρ為土壤密度（kg/m3），可取 1800kg/m3；K0為土壤靜壓力系數(shù)；Φ為回填土內(nèi)摩擦角（°），沙土可取30°。

1.6 直管段過渡段最大長度

式中：Lmax為直管段的過渡段最大長度（m）；α為鋼材的線膨脹系數(shù) [m/（m·℃）]；E為鋼材的彈性模量（MPa）；t1為管道工作循環(huán)最高溫度（℃）；t0為管道計算安裝溫度（℃）；v為鋼材的泊松系數(shù)，取0.3；σt為管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力（MPa）；A為工作管管壁的橫截面積（m2）；△Ty為工作管屈服溫差（℃）。

2 影響因素分析

供熱管網(wǎng)選用高密度聚乙烯聚氨酯預(yù)制直埋保溫管[3]，鋼管材質(zhì)為Q235B。鋼材的抗拉強度最小值 σb為 375MPa；鋼材的屈服極限最小值 σs為235MPa，鋼材的許用應(yīng)力[σ]為 125MPa，鋼材的彈性模量E為19.8×104MPa；鋼材的線膨脹系數(shù)α為12.4×10-6m/（m·℃ ）。選取公稱直徑為 DN400、DN800、DN1000、DN1200的直埋供熱管道進行計算分析，規(guī)格參數(shù)詳表1。

表1 直埋供熱管道規(guī)格表

2.1 管頂覆土深度的影響

在管道工作循環(huán)最高溫度t1為130℃、管道計算安裝溫度t0為10℃的前提下，分別計算管頂覆土深度1.3～2.5m時四種規(guī)格供熱管道的直管段過渡段最大長度，如圖1所示。

圖1 管頂覆土深度對直管段最大過渡段長度的影響

在相同管道覆土深度條件下，四種規(guī)格直埋供熱管道直管段最大過渡段長度的大小關(guān)系為DN1200＞DN1000＞DN800＞DN400； 這是由于隨著管徑的增大，包括介質(zhì)在內(nèi)的保溫管單位長度自重和管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力增大，從而使得單位長度最小摩擦力增大，導(dǎo)致在相同條件下直管段最大過渡段長度隨著管徑的增大而變短。隨著管頂覆土深度的增加，四種規(guī)格直埋供熱管道的直管段最大過渡段長度均減小，這是由于隨著管頂覆土深度的增加，土壤應(yīng)力增大，使得單位長度最小摩擦力增大，導(dǎo)致同一規(guī)格直埋供熱管道的直管段最大過渡段長度隨著管頂覆土深度的增加而變短。

2.2 管道工作循環(huán)最高溫度的影響

在管道計算安裝溫度t0為10℃、管頂覆土深度為1.5m的前提下，分別計算管道工作循環(huán)最高溫度t1為70℃～130℃時四種規(guī)格供熱管道的直管段過渡段最大長度，如圖2所示。

圖2 管道工作循環(huán)最高溫度對直管段最大過渡段長度的影響

在相同管道工作最高循環(huán)溫度條件下，四種規(guī)格直埋供熱管道直管段最大過渡段長度的大小關(guān)系為 DN1200＞DN1000＞DN800＞DN400。隨著管道工作最高循環(huán)溫度的升高，四種規(guī)格直埋供熱管道的直管段最大過渡段長度均增加，這是由于隨著管道工作最高循環(huán)溫度的升高的升高，管道工作最高循環(huán)溫度與管道計算安裝溫度的溫差不斷增大，在其他條件不發(fā)生變化的情況下，使得同一規(guī)格直埋供熱管道的直管段最大過渡段長度隨著管道工作最高循環(huán)溫度的升高而變長。在管道工作最高循環(huán)溫度≥115℃時，四種規(guī)格直埋供熱管道直管段最大過渡段長度均不再隨著管道工作最高循環(huán)溫度的增大而發(fā)生變化，這是由于管道工作循環(huán)最高溫度與管道計算安裝溫度的溫差已大于工作管屈服溫差△Ty，均以工作管屈服溫差代替管道工作循環(huán)最高溫度與管道計算安裝溫度的溫差計算直管段最大過渡段長度。

3 結(jié)論及建議

直埋供熱管道直管段最大過渡段長度受管道規(guī)格（工作管內(nèi)徑、公稱壁厚、外護管外徑）、管頂覆土深度、管道計算安裝溫度以及管道工作條件（計算壓力、循環(huán)最高溫度）等因素的綜合影響。在直埋供熱管道設(shè)計計算時，首先應(yīng)落實熱源廠提供的熱源溫度和壓力，合理確定直埋供熱管道的規(guī)格；然后根據(jù)供熱管網(wǎng)規(guī)劃路由、管位以及現(xiàn)有其他管道敷設(shè)情況，合理確定管頂覆土深度。只有綜合考慮各種因素的影響，確定供熱管道的直管段最大過渡段長度，合理布置補償器和固定墩，降低初投資，保證直埋供熱管道安全、可靠運行。