達(dá)福云

摘要：隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的全面提升，冬季供熱面積也在逐漸增加，尤其是北方地區(qū)，城市面臨熱負(fù)荷的快速增長(zhǎng)和熱源短缺的矛盾，為了盡早實(shí)現(xiàn)“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)，要充分挖掘主城區(qū)周邊電廠的余熱，形成以電廠余熱為主，天燃?xì)猓娔艿容o助調(diào)峰的清潔熱源結(jié)構(gòu)。利用電廠余熱實(shí)施大溫差長(zhǎng)輸管線供熱方式，致力于實(shí)現(xiàn)供熱的綠色與集中化及安全化目標(biāo)。但是隨著對(duì)熱力管道技術(shù)參數(shù)的要求增高，選擇合適的熱力管道來(lái)滿足不同地質(zhì)條件的需求，便成為現(xiàn)階段供熱企業(yè)需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。文章以此為背景，對(duì)大管徑的直埋供熱管道受力和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以實(shí)際案例為基礎(chǔ)詳細(xì)闡述了無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)的應(yīng)用，以便為后續(xù)工程設(shè)計(jì)提供一定的思路。

關(guān)鍵詞：大管徑；供熱管道；受力；無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)；穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TU833.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0前言

如今供熱規(guī)模和面積的增加導(dǎo)致供熱管道敷設(shè)形式多元化的程度也在逐漸增加，供熱設(shè)備也變得多樣化，導(dǎo)致供熱管道其本身的管徑和運(yùn)行壓力都會(huì)發(fā)生一定的變化?，F(xiàn)階段所運(yùn)行的長(zhǎng)輸管線熱力管網(wǎng)中，最大的管徑已經(jīng)超出了DN1400，最高工作壓力可以達(dá)到2.5 MPa。且為了減少這些管網(wǎng)占用城市空間的面積與施工周期，降低工程施工造價(jià)，大管徑的熱力管道成為目前供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)的最佳選擇[1]。雖然目前我國(guó)在大管徑管道的應(yīng)用上有著一定的使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于架空和地溝類別的管線而言已經(jīng)可以滿足其技術(shù)施工需求，但是對(duì)于無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)的研究卻略顯不足。因此文章以實(shí)際案例為基礎(chǔ)，探討大管徑直埋供熱管道受力和穩(wěn)定性相關(guān)內(nèi)容，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)工程設(shè)計(jì)與建設(shè)提供一定的思路和方法。

1無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)技術(shù)相關(guān)概述

1.1無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)技術(shù)發(fā)展

預(yù)制直埋保溫技術(shù)起源于1960年，該項(xiàng)技術(shù)由北歐地區(qū)率先研究和發(fā)展，而我國(guó)最早應(yīng)用預(yù)制直埋保溫技術(shù)是在1980年。該項(xiàng)技術(shù)最初應(yīng)用時(shí)主要是基于彈性變形分析法，目的是為了能夠有效保證熱水管道彈性變形可以處于正常范圍內(nèi)，也就是處于彈性狀態(tài)中。通常情況下管道直管段主要采用的是熱補(bǔ)償裝置，使用預(yù)熱以及采用一次性補(bǔ)償器的安裝方法。直到20世紀(jì)90年代，該項(xiàng)技術(shù)經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展后，北歐國(guó)家逐漸關(guān)注直埋熱水管道溫度應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)單一使用彈性分析法已經(jīng)無(wú)法滿足管道應(yīng)用要求，之后提出了采用應(yīng)力分類法計(jì)算直埋熱力管道強(qiáng)度計(jì)算[2]。1994年北歐國(guó)家頒布了關(guān)于無(wú)補(bǔ)償直埋的地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)以及配套解釋標(biāo)準(zhǔn)，這在一定程度上明確和規(guī)定了對(duì)直埋熱水管道設(shè)計(jì)中需要應(yīng)用應(yīng)力分類法。我國(guó)當(dāng)下采用的關(guān)于熱水管道直埋規(guī)定主要是借鑒北歐國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的。

1.2無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)技術(shù)選擇原則

文章第1部分提及在針對(duì)直埋供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要采用應(yīng)力分類法進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。其中，應(yīng)力分類法主要是以不同特性的荷載形成的應(yīng)力形態(tài)以及內(nèi)外因素對(duì)管道形成的破壞的影響對(duì)處于不同形態(tài)的管道應(yīng)力進(jìn)行不同的數(shù)值限定。在應(yīng)力分類法中主要分為一次應(yīng)力、峰值應(yīng)力和二次應(yīng)力[3]。目前，在進(jìn)行大管徑直埋供熱管道設(shè)計(jì)中應(yīng)用無(wú)補(bǔ)償冷安裝直埋敷設(shè)技術(shù)不但可以有效降低補(bǔ)償器的應(yīng)用數(shù)量，同時(shí)還可以減少固定墩的使用，最大程度減少系統(tǒng)中危險(xiǎn)點(diǎn)，提升管道使用的安全性和可靠性，在節(jié)約施工資金的同時(shí)保障施工質(zhì)量。因此，在滿足強(qiáng)度和管道穩(wěn)定性的前提下需要優(yōu)先選擇無(wú)補(bǔ)償冷安裝技術(shù)。

2實(shí)際案例分析

2.1工程概況

某工程（下文統(tǒng)稱本工程）供熱面積共計(jì)為1500m2，總長(zhǎng)度為100 km，總供熱負(fù)荷達(dá)到了880 MW，其中一次熱水網(wǎng)管設(shè)計(jì)中供水溫度為130℃，回水溫度為70℃，設(shè)計(jì)管網(wǎng)壓力為1.6 MPa，本工程中最大管徑為DN1400。工作人員在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)過(guò)程中采用無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)冷安裝技術(shù)。

2.2大管徑直埋供熱管道無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)工作內(nèi)容

進(jìn)行大管徑直埋供熱管道設(shè)計(jì)中應(yīng)用無(wú)補(bǔ)償直埋冷敷設(shè)時(shí)主要考慮的內(nèi)容包括直管段應(yīng)力計(jì)算、管道局部失穩(wěn)計(jì)算以及彎頭、三通、變徑等管件的強(qiáng)度計(jì)算和固定墩等設(shè)計(jì)。

當(dāng)管道最高溫度與安裝問(wèn)題之間的差值與允許差值相比更小時(shí)，即直管道當(dāng)量應(yīng)力變化低于3倍許用應(yīng)力時(shí)則表示管道存在允許錨固段，所以不進(jìn)行補(bǔ)償器設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)補(bǔ)償冷安裝。

2.3局部失穩(wěn)檢驗(yàn)

當(dāng)管徑高于DN500時(shí)不但會(huì)出現(xiàn)上述破壞方式，同時(shí)管道存在的局部失穩(wěn)以及截面橢圓變形的發(fā)生概率也會(huì)極大增加，這將會(huì)成為大管徑直埋管道失效的重要原因，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)尤為考慮管道局部失穩(wěn)[4]。本工程由于管道直徑為DN1400，因此需要適當(dāng)加大管道壁厚，進(jìn)而避免管道出現(xiàn)局部失穩(wěn)問(wèn)題，但是同時(shí)還需要注意供回水溫度不同的問(wèn)題。因此本工程根據(jù)實(shí)際情況選取的管道壁厚見(jiàn)表1所列。

2.4直埋熱水管道管件強(qiáng)度分析

2.4.1彎頭應(yīng)力計(jì)算

針對(duì)本工程彎頭應(yīng)力計(jì)算后，在無(wú)法滿足應(yīng)力情況下針對(duì)彎道采用控制彎臂長(zhǎng)度的方式或加大彎曲半徑的方式確保補(bǔ)償彎管具有良好的吸收熱脹冷縮能力，同時(shí)保護(hù)彎管安全。

2.4.2折角計(jì)算

與彎頭相比，折角所具有的應(yīng)變吸收能力較小，但是應(yīng)力水平更高，因此對(duì)管道形成的破壞概率也更大。當(dāng)管道運(yùn)行時(shí)就會(huì)促使管道折角處出現(xiàn)過(guò)多的環(huán)向拉應(yīng)力積壓，造成折角點(diǎn)形成的水平位移更多。

因此，本工程中針對(duì)DN500及以下的管道平面折角直接視為直管段，針對(duì)單折折角無(wú)法滿足《規(guī)程》的主要采用了多折替代單折的方法。針對(duì)管道直徑超過(guò)DN500管道主要是使用大彎曲半徑彎管替代大折角，以此有效規(guī)避由于預(yù)應(yīng)力集中造成的局部失穩(wěn)問(wèn)題。

2.4.3三通計(jì)算

對(duì)于主管來(lái)說(shuō)，實(shí)施三通可以確保主管道具有良好的安全性，但是三通對(duì)于支管來(lái)說(shuō)存在一定的破壞作用[5]。因此為了有效避免分支處出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)大問(wèn)題，本工程主要采用了加強(qiáng)三通的方法，即主管開(kāi)分支處位移量設(shè)定低于50 mm，同時(shí)在設(shè)計(jì)中使用補(bǔ)償器及固定墩確保位移量。

2.4.4變徑管計(jì)算

當(dāng)溫度變化與異徑管最大溫差允許值相比較小時(shí)，本工程決定不對(duì)異徑管采取保護(hù)措施；當(dāng)溫度變化與異徑管最大溫差允許值相比較大時(shí)本工程決定使用補(bǔ)償裝置，同時(shí)有效控制異徑管和補(bǔ)償裝置之間的距離。

2.5豎向設(shè)計(jì)

在進(jìn)行直埋供熱管道埋設(shè)時(shí)最小覆土深度需要滿足表2要求，如若最小埋深無(wú)法達(dá)到要求時(shí)需采取相關(guān)保護(hù)措施，例如可以在管道上方加設(shè)混凝土板。

另外，由于管道溫升軸向力形成的壓桿效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致管道出現(xiàn)彎曲，管道彎矩較大，最終造成管道垂直方向出現(xiàn)失穩(wěn)[6]。因此，施工中需增加覆土深度，或者也可以采取在管道上方增加荷載的方式，或者選擇使用補(bǔ)償器，從而有效減少管道軸向力，達(dá)到穩(wěn)定性要求。

3結(jié)束語(yǔ)

本論述簡(jiǎn)要分析了現(xiàn)有大管徑直埋供熱管道的受力情況和穩(wěn)定性分析存在瑕疵，但是大體上可對(duì)管道整體受力和穩(wěn)定性作出明確的說(shuō)明。由此可以了解到，在使用大管徑直埋的供熱管道時(shí)，不僅需要注意其周?chē)馏w對(duì)其造成的壓力導(dǎo)致其穩(wěn)定性受到影響相關(guān)內(nèi)容，還需要注意管道各個(gè)部分可能受到的壓力情況，在明確計(jì)算的基礎(chǔ)上方可選擇適合工程建設(shè)的管道類型。另外管道還可能遇到水體的壓力作用，本文由于篇幅有限這方面欠缺。希望本文所作出的簡(jiǎn)要分析能夠?yàn)橄嚓P(guān)工程計(jì)算供熱管道受力和穩(wěn)定性上提供一些思路和方法。

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