直埋熱水管道鋼管壁厚的計算及對比

于小會

摘 要：集中供熱管網的鋼管壁厚既是影響管網安全運行的技術問題，也是影響工程投資的經濟問題。本文依據《城鎮供熱直埋熱水管道技術規程 CJJ/T 81-2013》，計算出無補償直埋冷安裝、無補償直埋預熱安裝和有補償直埋安裝方案的熱水管道鋼管壁厚值，確定不同工況壁厚的決定因素，為集中供熱管網敷設方案的選擇提供依據。

關鍵詞：直埋熱水管道；壁厚；計算；對比

中圖分類號：TU995.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）03-0080-04

1 直埋熱水管道壁厚影響因素

依據《城鎮供熱直埋熱水管道技術規程CJJ/T 81-2013》，直埋熱水管道鋼管壁厚的影響因素包括：管道內壓力、外部荷載、溫度應力和局部屈曲，將不同影響因素的壁厚驗算公式列于表1公式（1-5）。

2 大管徑直埋熱水管道鋼管壁厚計算

2.1 直埋無補償冷安裝方案

2.1.1 計算參數

計算參數如表2所示。

2.1.2 計算結果分析

計算壓力1.6MPa，供水溫度為130℃工況下，各種因素的最小壁厚如圖1所示。

從圖1可以看出，在此工況下，局部屈曲是管道壁厚選取的決定性因素。

從圖2還可看出，各因素的計算壁厚基本隨管徑增大呈線性增長趨勢。各因素計算壁厚的差別，隨管徑的增大而增大。

計算壓力2.5MPa，供水溫度為130℃工況下，各因素最小壁厚如圖3所示。由于壓力升高，內壓限定的最小壁厚略高于局部屈曲的計算值，成為該工況下選取管道壁厚的決定因素。

通過對比圖1與圖3可以看出，隨著壓力的升高，內壓和內壓加溫度應力限定的最小壁厚大幅度提高，設計壓力對供熱管道鋼管壁厚的選取有重要影響。局部屈曲所限定的最小壁厚隨計算壓力升高略有下降。

比如DN1200管道，雖然在1.6MPa和2.5MPa的設計壓力下管道壁厚的選取值可能一致，管道都取14.0 +1.0=15.0mm（1.0為因尺寸公差而附加的壁厚），但主導壁厚選取的因素并不一樣。低壓力時，局部屈曲是鋼管壁厚的決定因素，高壓力時，管道內壓成為管道壁厚的決定因素。

2.2 直埋無補償預熱安裝

2.2.1 計算參數

與無補償冷安裝的壁厚計算相比，預熱安裝僅在安裝溫度的取值上有所不同，而計算管道壁厚的公式中，只有局部屈曲的公式涉及到了安裝溫度t0，因此，只有預熱安裝局部屈曲的壁厚計算與無補償冷安裝不同。安裝溫度的取值為：t0=（t1+t2）×40%=56℃。

計算參數如表3。

2.2.2 計算結果分析

對比不同因素的計算壁厚，外部荷載成為決定壁厚的主要因素，與采用冷安裝時的結果大不相同。

比如DN1200管道，對比圖1與圖4可以看出，與冷安裝的計算壁厚相比，采用預熱安裝后管道局部屈曲的計算壁厚降低一半左右，在1.6MPa計算壓力下，可以使管道鋼管壁厚有效減薄。

從圖5可以看出，隨管徑增大各因素計算的最小壁厚差距加大，而對于較小管徑管道，各因素計算的最小壁厚趨同。體現了在大管徑管道鋼管壁厚計算時，分別驗算各個影響因素的意義所在。

2.3 直埋有補償安裝

2.3.1 計算參數

采用表4和常規波紋管補償器參數，按表1公式（1-5）中各個過程量，經過試算得到不同管徑管道在有補償敷設時的最小壁厚。

2.3.2 計算結果分析

表5中管道壁厚計算采用彈性應力分析法，按一次應力與二次應力共同作用下的最小值。而按內壓與外部荷載計算的壁厚與無補償直埋冷安裝的結果一致，直埋有補償敷設軸向壓力遠小于無補償敷設，可不考慮局部屈曲的影響。

從圖6、圖7可以看出，1.6MPa下，對于大管徑直埋管道內壓加溫度應力為壁厚計算的決定因素，外部荷載僅此之，且管徑越大二者越相近。管徑越小，內壓加溫度一應力對壁厚的決定作用越明顯。

從圖8、圖9可以看出，在2.5MPa計算壓力下，對于DN800以上管道而言，內壓是鋼管壁厚的決定因素。隨著管徑變小，內壓加溫度應力的計算壁厚與內壓計算的壁厚差距減小，當管徑小于等于DN800時，已成為鋼管壁厚的決定因素。

3 結語

3.1 管道壁厚的決定因素

在計算壓力1.6MPa，最高循環溫度130℃的條件下：對于無補償冷安裝的直埋供熱管道，局部屈曲是鋼管壁厚的決定因素；對于無補償預熱安裝，外部荷載成為鋼管壁厚決定因素；對于有補償直埋安裝，內壓加溫度應力是鋼管壁厚的決定因素。

在計算壓力2.5MPa，最高循環溫度130℃條件下：由于內壓引起的應力大幅上升，內壓成為無補償冷安裝和預熱安裝鋼管壁厚的決定因素；在有補償敷設中，DN800以上管道鋼管壁厚也由內壓決定，而DN800及以下管道，內壓加溫度應力是鋼管壁厚的決定因素。

3.2 不同安裝方式對壁厚的減薄作用

對比1.6MPa、130℃工況，預熱安裝和有補償直埋安裝較無補償冷安裝方案都能降低鋼管壁厚1至4mm，且預熱安裝對管壁的減薄作用更為突出，管材投資可大幅減少，但增加了電預熱費用，有補償直埋安裝方案也能降低管材投資費用，但增加了補償器投資費用，一般補償器投資費用遠大于電預熱費用，應綜合比較管材減少費用、電預熱增加費用、補償器投資增加費用以及實際地質結構，確定無補償預熱還是無補償冷安裝方案。

對比2.5MPa、130℃工況，較無補償冷安裝方案，無補償預熱安裝和有補償安裝絕大多數情況下都不能降低鋼管壁厚，甚至出現有補償DN800以下管道的壁厚較無補償壁厚增加的情況，因此，在這種工況下應優先選用無補償冷安裝方案。

參考文獻

[1]北京科技大學.工程力學：材料力學[M].高等教育出版社，2008.

[2]賀平，孫剛，王飛，等.供熱工程一第4版[M].中國建筑工業出版社，2009.

[3]批準部門：中華人民共和國住房和城鄉建設部.城鎮供熱管網設計規范[M].中國建筑工業出版社，2010.

[4]城市建設研究院.CJJ/T 81-2013城鎮供熱直埋熱水管道技術規程[M].中國建筑工業出版社，2013.

[5]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，2014.

[6]皮特.蘭德勞力，主編，賀平，王鋼，譯.區域供熱手冊[M].哈爾濱工程大學出版社，1998.

[7]楊良仲，于寧，郭世宏.預熱安裝原理及一次性補償器的應用[J].管道技術與設備，2006，（1）：43-46.

[8]郭吉賢.第三強度理論與屈服溫差計算式[C]//甘肅省土木建筑學會五十周年學術會議.2003.

[9]朱正，李朝陽，賈震.集中供熱系統多熱源聯網的運行調節[C]//海峽兩岸熱電聯產、汽電共生學術交流會.2008.

[10]周抗冰，王松濤.電預熱技術在城鎮供熱直埋保溫管道安裝中的應用[C]//海峽兩岸熱電聯產汽電共生學術交流會.2006.