直埋熱水管道設計理論及發展方向探討

張樂 王浩然

摘要：本文主要描述了直埋敷設熱力管道上的作用以及相應的變形，將作用產生的應力分為一次應力、二次應力和峰值應力，提出了直埋敷設熱力管道強度設計的應力分類法。分析了直埋敷設熱力管道的破壞方式，直管的破壞方式包括循環塑性變形的整體失穩，而疲勞破壞是管件的主要破壞方式，針對不同的破壞方式，討論了強度設計方法。

關鍵詞：集中供熱;直埋管道;強度設計;應力;應力分類法;失效方式

1 應力分類法

1.1 鋼材的塑性變形與破壞

鋼材屬于塑性良好材料，從其拉伸實驗可以看出：鋼材從屈服到斷裂的塑性變形量比屈服極限對應的最大彈性變形量大10-15倍以上，故產生塑性變形并不意味鋼材破壞。

鋼材的塑性變形可分為有限和無限兩種。只有無限塑性變形，才會導致鋼材的塑性流動而產生破壞;而大小與最大彈性變形相當的有限塑性變形是不會產生破壞的。

實際上，人們在生產和生活中，還常常利用這種有限塑性變形。從機械加工中的汽車車體，到居室中的熒光燈罩，甚至本文討論的鋼管，無不都是通過塑料變形而制造成的。

1.2 作用（荷載）

所有使管道產生內力和變形的因素都稱為作用（又稱荷載）。當鋼材屈服時，不同類型的作用，使管道產生不同類型的塑性變形，進一步可能導致不同方式的破壞。

根據所產生塑性變形的類型，作用可分為不同的兩類：

力作用是給定的力，而與管道變形無關，如管道自重和介質壓力。

位移作用可以是給定的位移或變形，如熱脹變形或管道沉降，也可以是與位移或變形有關的力，如土壤的軸向摩擦力和側向壓縮反力。

1.3 應力分類法

力作用產生的應力稱為一次應力，它取決于靜力平衡條件。如果一次應力超過了極限狀態，管道會發生無限的塑性流動，立即導致爆裂或斷裂。因此，應控制一次應力，使之處于不產生塑性流動，為此應對一次應力進行極限分析。

位移作用產生的應力稱為二次應力（直埋管道中主要是溫度產生的溫度應力），它取決于變形協調條件。如果二次應力超過了極限狀態，管道只會產生有限的塑性變形。但由于塑性變形對鋼管內部結構的損傷，隨著時間推移，循環往復的塑性變形也會使管道發生破壞。因此，應控制二次應力，使之不產生循環往復塑性變形，為此應對二次應力進行安定性分析。

2 設計方法

2.1 直埋管道作用特點及破壞方式

由于土壤的均勻支撐，使管道自重可忽略不計。而由于熱網管道的公稱壁厚遠遠大于介質壓力所需的設計壁厚，也使內壓應力遠遠小于管材的屈服應力。因此，在直埋管道中，自重和內壓等力作用的影響相對較小。

另一方面，由于土壤的約束，直管段的熱脹變形不能自由釋放，在溫度變化時形成的溫度應力可能產生循環塑性變形，在運行溫度下形成的升溫軸向壓力可能引起失穩，而直管段的熱脹變形，向三通、彎頭和折角等薄弱部件的轉移還會導致疲勞破壞，向閥門的轉移還會導致閥門破壞。因此。在直埋管道中，溫度對管道強度的影響較大。

對于管徑不大于DN500的直埋熱網，一般存在下面幾種破壞方式：

2.1.1 直管段的循環塑性破壞和整體失穩破壞;

2.1.2 三通、彎頭、折角和大小頭以及閥門等薄弱部件產生的破壞。

強度設計就是采用適當的設計方法，防止上述破壞發生，保證管道安全經濟地運行。

2.2 直管的設計方法

2.2.1 防止循環塑性破壞的設計方法

管道溫度在工作循環最高溫度與最低溫度間變化時所產生的應力變化是循環塑性破壞的起因。由于應力變化與安裝溫度無關，故預應力安裝不解決冷安裝循環塑性破壞的問題。

當錨固狀態的直管段滿足安定性條件時。允許無補償管段存在，這當然包括冷安裝無補償管段。否則，只能在該直管段中按一定間距設置補償裝置，使管道變成有補償管段。

2.2.2 防止整體失穩破壞的設計方法

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，當錨固狀態的直管段滿足穩定性條件時，將允許冷安裝無補償管段存在。否則，應采取下列措施：

（1）增加覆土深度，增大阻止失穩的反力;

（2）采用預應力安裝方式（預熱或設置一次性補償器），降低熱脹變形的大小;

（3）設置補償裝置，釋放吸收熱脹變形。

2.2.3 直管設計一般規律

一般地講，運行溫度不高于130℃、埋深在1m以下、管徑不大于DN500的熱網，從直管強度的角度，冷安裝無補償管段在強度上是沒有問題的。但是，從保護薄弱部件以及減小固定墩推力的角度，往往還要在局部管段設置補償裝置。

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，故預應力安裝方式的使用變得越來越少。

2.2 防止薄弱部件破壞的設計方法

薄弱部件的應力取決于兩個方面，其一該部件本身結構是否容易產生應力集中，其二所連直管的熱脹變形轉移。因此，可以從下面三個方面避免破壞產生。

2.2.1 薄弱部件的結構尺寸設計

從管道部件本身角度講，采用應力集中程度小的結構，以降低峰值應力：

（1）使用增加壁厚或采用加強板的三通;

（2）采用大彎曲半徑或壁厚增加的彎頭;

（3）用大彎曲半徑的曲管或多個應力集中程度小的小折角代替一個大折角;

（4）用U型彎管代替15°-17°的折角或彎頭;

（5）用多個逐級變化的大小頭代替一個管徑變化較大的大小頭;

（6）使用強度特性好的鋼制焊接閥門等。

2.2.2 設置固定墩的方法

從管道布置上，可通過設置固定墩，來阻止熱脹變形向應力集中的部件轉移;

（1）在彎管的彎臂上設置固定墩;

（2）在三通的支管上設置固定墩;

（3）在折角、大小頭、閥門及三通主管附近的直管上設置固定墩，限制直管的熱脹變形向這些部件的轉移等。

2.2.3 局部的有補償方法

從管道布置上，也可通過設置補償裝置，來吸收熱脹變形向應力集中的部件轉移。補償裝置可以是波紋管補償器，也可是利用管線的走向形成彎管補償器：

（1）在彎管的彎臂上設置補償裝置;

（2）在三通的支管上設置補償裝置;

（3）在折角、大小頭、閥門及三通主管附近的直管上設置補償裝置等。

3 結語

直埋管網的設計屬于系統工程，在管網中存在著多種失效方式，而且各種失效方式的起因是不同的，產生的部位也是不同的，在設計中僅僅對直管的溫度應力進行安定性分析是遠遠不夠的。本文在討論應力分類法的基礎上，提出了針對不同部件上不同應力的設計方法，并將有補償安裝和無補償安裝方式有機地結合在一起，從系統的角度保證了所有部件都處于安全狀態。

參考文獻

[1]陳海燕，張皓皓，顏燕.提高直埋供熱管道安全運行的途徑[J].煤氣與熱力.2010（09）

[2]楊海礁.直埋供熱管道埋深的研究[J].煤氣與熱力.2010（10）.