采暖管道直埋敷設(shè)技術(shù)現(xiàn)狀問題探討達的變化及其意義

夏云龍(伊春市教師進修學(xué)院 黑龍江 伊春 153000)

采暖管道直埋敷設(shè)技術(shù)現(xiàn)狀問題探討達的變化及其意義

夏云龍
(伊春市教師進修學(xué)院 黑龍江 伊春 153000)

直埋敷設(shè)方式越來越廣泛地應(yīng)用于采暖管道的敷設(shè)中。直埋敷設(shè)技術(shù)的不斷積累與發(fā)展，供熱區(qū)域的不斷擴大，對直埋管道的受力設(shè)計、施工都提出新高度的要求。本文從實踐經(jīng)驗和理論自學(xué)出發(fā)，側(cè)重采暖管道直埋敷設(shè)的實際工程特點，對受力設(shè)計方法、安裝方式的采選和管道失效方式的規(guī)避等三方面做以分析，并總結(jié)了相應(yīng)對策，以期加快直埋敷設(shè)技術(shù)的發(fā)展，取得社會效益。

采暖管道直埋敷設(shè);受力設(shè)計;安裝方式;失效方式

1.管道直埋敷設(shè)技術(shù)現(xiàn)狀

采暖管道敷設(shè)方法一般有三：地上敷設(shè)、管溝敷設(shè)和直埋敷設(shè)。比較而言，直埋敷設(shè)更具優(yōu)勢：占地少、施工時間短、維護量少、成本低、壽命長等。已成為我國管道敷設(shè)中最常用的敷設(shè)方式。

目前，業(yè)界對直埋管道受力設(shè)計的原則雖不一致，但大都避免有補償安裝，而只在局部薄弱部件處進行補償保護。主要按《規(guī)程》中的方法來進行直埋管道的受力計算。《規(guī)程》為直埋敷設(shè)管道的受力設(shè)計統(tǒng)一了標準，使國內(nèi)的直埋敷設(shè)管道受力設(shè)計規(guī)范化，對直埋敷設(shè)的一些設(shè)計參數(shù)進行了限制，明確指出，《規(guī)程》適用于供熱介質(zhì)溫度小于或等于150℃，公稱直徑小于或等于500mm的鋼質(zhì)內(nèi)管、保溫層、保護外殼結(jié)合為一體的預(yù)制保溫直埋熱水管道。一些廠家的設(shè)計手冊也給出了直埋敷設(shè)管道的受力設(shè)計方法。

近年，直埋敷設(shè)熱水管道多需大直徑、高壓力管道，原適用的小直徑管道設(shè)計方法和公式亟需改進。同時，直埋敷設(shè)技術(shù)發(fā)展，大直徑管道的無補償安裝、薄弱部件加強等技術(shù)的應(yīng)用日趨廣泛。

2.直埋敷設(shè)中存在的問題與對策

2.1 直埋管道受力設(shè)計方法與適用范圍

問題包括：

《規(guī)程》中給出的直埋管道受力設(shè)計方法適用于供熱介質(zhì)溫度不大于150℃，公稱直徑不大于DN500mm的一體型預(yù)制保溫管。而現(xiàn)在的管道規(guī)格已經(jīng)達到公稱直徑DN1000mm；管道的工作壓力也很高，一些工程已經(jīng)使用了工作壓力2.5MPa的管道的無補償冷安裝直埋敷設(shè)。

《規(guī)程》和廠家設(shè)計手冊中給出的公式和圖表，多是對較低工作壓力、較小直徑管道的簡化結(jié)果，對于大直徑、較高工作壓力的管道的受力設(shè)計還有待商榷。

《規(guī)程》對于固定墩推力的計算，是基于粉質(zhì)粘土或砂質(zhì)粉土的情況，并按照一定的摩擦力下降規(guī)律給出的。沒有考慮土壤特性及摩擦力的不同情況。

解決對策是，以現(xiàn)有的管道受力設(shè)計方法為基礎(chǔ)，深入分析其公式、原理，重點考慮大直徑管道的設(shè)計要點。

例如：在進行地下直埋管道受力設(shè)計中，《規(guī)程》給出的單位管長摩擦力的計算公式為：

F＝πρgμ(H+Dk/2)Dk

式中 F—軸線方向每米管道的摩擦力，N；

μ—土壤與管道之間的摩擦系數(shù)；

H—管頂覆土深度；當H≥1.5m時，H取1.5m；

Dk—預(yù)制保溫管外殼的外徑，m。

大直徑管道的自重對摩擦力的影響較大，建議在計算單位管長摩擦力時考慮自重的影響：

F＝πρgμ(H+Dk/2)Dk+μG

式中 G—單位管重（包括流動介質(zhì)），N。

如果進行直埋管道的受力設(shè)計時不區(qū)分管道直徑的大小，其計算結(jié)果可能不合理，容易造成工程隱患。

2.2 直埋敷設(shè)安裝方式的適用條件

直埋敷設(shè)安裝方式：按照管段是否有補償，分為無補償安裝和有補償安裝；按照是否進行預(yù)應(yīng)力，分為冷安裝和預(yù)應(yīng)力安裝。對直埋敷設(shè)的安裝方式雖有詳盡的分析，但在實際的工程中的選擇還有些混亂。安裝方式的不合理易引起能源、管材的浪費，以及管路系統(tǒng)的潛在危險。

解決對策是，必須明確，不同的安裝方式對應(yīng)著其所能解決的不同的管道失效方式，不同的失效方式所關(guān)注的管道的特征參數(shù)不同。換言之，為解決一定的管道失效方式，應(yīng)根據(jù)引起該失效方式的管道的特征參數(shù)，進行調(diào)控，而管道的特征參數(shù)的取值不同，就形成了不同的直埋敷設(shè)的安裝方式。這也是劃分不同的直埋敷設(shè)安裝方式的原則。

例如：管道的循環(huán)塑性變形破壞，是由于管道在運行最高溫度T1和最低溫度T2之間進行循環(huán)工作時，管道發(fā)生循環(huán)塑性變形而產(chǎn)生的一種管道失效方式。這種失效方式對應(yīng)的溫度特征參數(shù)是管道工作循環(huán)最高溫度和循環(huán)最低溫度之差T1－T2。為了避免這種失效方式的產(chǎn)生，就應(yīng)該對T1－T2進行限制，使其小于產(chǎn)生循環(huán)塑性變形的允許溫差。當T1－T2不能滿足要求時，就應(yīng)該采用其他方法來減小管道的應(yīng)力和應(yīng)變，使其滿足要求，即可以對管道進行補償，使管道處于有補償狀態(tài)。從以上的分析可見，管道的有補償安裝方法可以解決管道的循環(huán)塑性變形問題，其對應(yīng)的特征參數(shù)是T1－T2。而另一種直埋敷設(shè)安裝方式——預(yù)應(yīng)力安裝方式是在管道運行前對管道的受力狀態(tài)進行的一種預(yù)處理，即提高管道的整體焊接溫度T0，并沒有改變管道運行的循環(huán)最高溫度T1和循環(huán)最低溫度T2，可見預(yù)應(yīng)力安裝方式不能解決管道的循環(huán)塑性變形失效。

明確直埋敷設(shè)各種安裝方式的適用條件，就可以針對不同的管道情況采取相應(yīng)的安裝方式，控制其對應(yīng)的特征參數(shù)，保證管道安全、合理運行。

2.3 對大直徑管道失效方式的研究不足

管道所涉及的失效方式主要包括以下幾種：

無限制塑性變形：指的是管道的無限制塑性流動變形。

循環(huán)塑性變形：管道溫度在工作循環(huán)最高溫度和最低溫度之間變化時，管道的變形就相應(yīng)的在最大和最小、或者壓縮塑性變形和拉伸塑性變形間循環(huán)變化，這樣就容易產(chǎn)生循環(huán)塑性破壞。運行壓力越高、循環(huán)溫差越大，越容易產(chǎn)生循環(huán)塑性變形。

低循環(huán)疲勞破壞：管道結(jié)構(gòu)不連續(xù)處會產(chǎn)生相對于管道其他部分較大的應(yīng)力，溫度的循環(huán)變化使得應(yīng)力循環(huán)變化，引起管道的疲勞破壞。由于溫度的變化頻率較低，所以由溫度變化引起的疲勞破壞稱作低循環(huán)疲勞破壞。

高循環(huán)疲勞破壞：由于車輛等的通過，其作用力會使管道產(chǎn)生應(yīng)力集中。因為車輛荷載出現(xiàn)的頻率較高，所以稱之為高循環(huán)疲勞破壞。對于大直徑的直埋敷設(shè)，這種變形較易發(fā)生。

管道的失穩(wěn)分為整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)。管道的整體失穩(wěn)分為垂直失穩(wěn)水平失穩(wěn)。

由于管道的升溫軸向力的壓桿效應(yīng)會使管道變彎，管段中產(chǎn)生較大的彎矩，從而引起垂直失穩(wěn)（豎向失穩(wěn)）。

采暖管道投入運行后，在管線附近平行開溝時，土壤側(cè)向的支撐作用減弱，極易產(chǎn)生管道的整體水平失穩(wěn)。

目前在設(shè)計時只驗算垂直失穩(wěn)，而不驗算水平失穩(wěn)，即未考慮管道運行后的失效情況。

局部失穩(wěn)：管路附件和承受高軸向壓力的管道也存在著失穩(wěn)的可能性，稱作局部失穩(wěn)。

閥門的破壞：閥門由于受軸向應(yīng)力而變形破壞或者失效，都會導(dǎo)致管道的失效。

從以上幾種失效方式產(chǎn)生的機理來看，管道中發(fā)生不同失效方式的位置和情況都有所不同。直管以及不同的管路附件（直管、三通、彎頭、閥門等）對應(yīng)著各自不同的失效方式。而現(xiàn)行的直埋管道受力設(shè)計方法中只考慮了其中部分的失效方式，是對小直徑管道等設(shè)計條件下管道應(yīng)力分析的一種簡化。例如：《規(guī)程》中對于直管的受力設(shè)計只考慮了無限制塑性變形破壞、整體垂直失穩(wěn)和循環(huán)塑性變形，未考慮局部失穩(wěn)破壞。對于大直徑、較高工作壓力的管道，必須考慮管道的局部失穩(wěn)破壞。

隨著直埋管道規(guī)模的不斷擴大，在實際的受力設(shè)計中，應(yīng)考慮大直徑管道受力特點，根據(jù)具體的情況，選擇相應(yīng)的管道失效方式進行分析和驗算，才能保證管道受力設(shè)計的合理、工程的運行安全。

3.結(jié)論

通過對以上問題的探討，希望完善現(xiàn)有直埋管道受力計算方法，對工程建設(shè)有經(jīng)濟實用價值。

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1009-5624（2016）06-0155-02