淺談城鎮直埋供熱管道的設計施工

吳江山

（黑龍江省農墾寶泉嶺管理局建筑設計院，黑龍江 蘿北 154211）

1 直埋管道管材的選擇

根據輸送介質的技術要求，供熱鋼管可分別采用有縫鋼管、無縫鋼管、雙面埋弧螺旋焊接鋼管。直埋的熱力管道內壓一般都很低，由內壓引起的應力不足允許值的50%。發生直接爆破破壞的可能性非常小，破壞的最大可能是由溫度應力引起的塑性疲勞破壞。因此，在選擇管材時，應主要從抗疲勞性能來考慮。這就要求選擇塑性比較好、易焊接的材質，一般10#、20#鋼較為適宜。軸向溫度應力與管壁橫截面積的大小無關，增加壁厚并不能降低管壁內的軸向應力。相反，它可能增加對固定墩的推力和過渡段的熱伸長量。因此，管壁應盡可能選擇較合適的規格厚度。

2 直埋管道的布置

直埋供熱管道的布置應符合國家現行標準《城市熱力網設計規范》的有關規定。管道布置的合理與否直接影響到管道的敷設方式。熱力網的布置應在城市建設規劃的指導下，考慮熱負荷的分布，熱源的位置，與各種地上、地下管線及構筑物、園林綠地的關系等因素，經技術經濟比較來確定。

3 直埋管道的敷設

直埋供熱管道的敷設方式按照長直管段是否允許出現無補償管段可分為兩大類：有補償敷設和無補償敷設。有補償敷設可用于各種供熱系統，而無補償敷設是有必要條件的，即使采用預熱安裝也是如此。在直埋管道敷設時需注意的要點：管道盡可利用轉角自然補償。從干管直接引出分支管時，在分支管上應設固定墩或軸向補償器或彎管補償器。三通、彎頭等應力比較集中的部位，應進行驗算，驗算不通過時可采取設固定墩或補償器等保護措施。當需要減少管道軸向力時，可采取設置補償器或對管道進行預處理等措施。當地基軟硬不一致時，應對地基做過渡處理。埋地固定墩處應采取可靠的防腐措施，鋼管、鋼架不應該裸露。軸向補償器和管道軸線應一致，距補償器12m范圍內管段不應有變坡和轉角。

4 直埋管道的作用及應力特點

直埋供熱管道的安全性取決于管道中的應力大小，而應力的大小又取決于作用于管道的荷載，在直埋供熱管道中，荷載包括主動荷載和被動荷載。不同類型的荷載，使管道產生不同性質的應力，進一步可能導致不同方式的破壞。溫度和壓力是熱力管道上最主要的兩種作用荷載。對于直埋管道，還有軸向位移產生的土壤軸向摩擦力和側向位移產生的土壤側向壓縮反力。另外，在管道局部結構不連續處會產生應力集中，對應的應力稱為峰值應力。峰值應力不會引起顯著的變形。但循環變化的峰值應力，也會造成鋼管內部結構的損傷，導致管道疲勞破壞。管道在彎頭、三通處產生的應力屬于峰值應力。由于土壤的均勻支撐，管道的自重沒有產生自重彎曲應力，故一般忽略不計。但是對于熱網中常用的管道，其公稱壁厚要遠遠大于該壓力所需的設計壁厚，內壓產生的實際應力也就遠遠小于管材的屈服應力。相反，由于管道中熱脹變形不能完全釋放，使管道產生了較大的軸向壓力和壓應力，其中軸向壓應力可能與屈服應力處于同一數量級上。因此，在直埋敷設熱力管道中，內壓的影響較小，管道產生爆裂的可能性很小，而溫度的影響則較大，因此，直埋供熱管道能否安全運行的至關重要的因素是熱應力的大小。

5 防止直埋管道破壞的方法

5.1 防止循環塑性破壞

管道溫度在管道工作循環最高溫度與最低溫度問變化時，所產生的應力變化是循環塑性破壞的起因。無論是錨固狀態的管道，還是滑動狀態的管道，應力變化都與安裝溫度無關，故預應力安裝不解決冷安裝的循環塑性破壞的問題。當錨固狀態的直管段滿足不產生循環塑性破壞的安定性條件時，錨固狀態的管道允許存在，該直管段可以采用無補償安裝方式，當然包括了無補償冷安裝方式。否則，應在該直管段設置補償裝置，并通過調整補償裝置間距，控制管段上的應力變化，使之不產生循環塑性破壞，這時，該直管段就變成有補償安裝方式。

5.2 防止疲勞破壞

疲勞破壞是指管道的局部地方由于應力集中引起的局部循環塑性變形導致的局部破壞。直埋供熱管道的彎頭、折角、變徑及三通等管件處都會產生應力集中。在溫度和壓力變化過程中，應力集中引起的峰值應力，將在很小的局部范圍內產生循環塑性變形，導致了疲勞破壞。疲勞破壞也與應力變化有關，峰值應力的變化范圍越大，疲勞破壞所經歷的時間越短，表現為局部開裂、漏水等。防止疲勞破壞主要是采用固定墩加固和補償器補償的方式解決。

5.3 防止失穩破壞

在進行直埋供熱管道設計時，除考慮循環塑性破壞外，還要考慮穩定性問題。管道溫度從安裝溫度升高到管道工作循環最高溫度時，所產生的升溫軸向壓力是整體失穩破壞的起因。在冷安裝條件下，錨固的直管段滿足穩定性條件時，該直管段可采用無補償冷安裝方式。一般地講，供水溫度不高于130℃、管徑不大于DN500的熱網，采用無補償冷安裝方式都能保證不出現循環塑性破壞；當埋深在1米以下時，還能保證不出現整體失穩。由于一般的熱網都可滿足上述條件，故從直管段強度的角度，采用無補償冷安裝方式是沒有問題的。但是，從保護三通、彎頭、折角、大小頭和閥門等薄弱部件以及減小固定墩推力的角度，有時在局部管段還要采用設置補償裝置的有補償安裝方式。至于預應力安裝方式，由于只能解決穩定性的問題，而通過增加覆土深度或設置補償裝置解決穩定性問題，通常會更經濟一些。

6 直埋供熱管道的施工安裝

直埋管道中的應力是熱脹變形不能完全釋放而產生的。因此，通過選擇不同的安裝方式，可以改變熱脹變形的大小和變形的釋放程度，進而改變管道的應力水平。熱脹變形的大小與零應力狀態對應的溫度有關，零應力狀態溫度的提高，可降低熱脹變形的大小。根據此溫度是否等于安裝時的環境溫度，管道可分為兩種。冷安裝：零應力狀態對應的溫度等于安裝時的環境溫度。預應力安裝：零應力狀態對應的溫度等于預熱溫度。根據熱脹變形能否釋放，管道又可分為兩種。無補償安裝：兩固定墩之間或遠離補償裝置而處于錨固狀態的管道(錨固段)，其熱脹變形不能被補償裝置所吸收。有補償安裝：補償裝置附近處于滑動狀態的管道(滑動段)，其熱脹變形能被補償裝置所吸收。

總之，城鎮供熱管道采用預制保溫管直埋敷設，具有顯著的社會效益、經濟效益、節能效益。對供熱管網直埋敷設設計與施工的研究，是供熱管網能夠安全的運行，增加使用壽命，降低供熱成本，提高經濟效益的理論支持，更是城鎮集中供熱管網直埋敷設得以廣泛使用和推廣的有力保證。

[1]王飛，張建偉.直埋供熱管道工程設計[M].中國建筑工業出版社.2006.

[2]CJJ34-2002，城市熱力網設計規范[S].