大管徑直埋供熱管道設(shè)計方法研究

崔云飛

（晉城市熱力有限公司，山西 晉城 048000）

1 對大管徑直埋供熱管道應(yīng)力與穩(wěn)定性進行分析

由于供熱管道需要直埋地下與土壤充分接觸，所以在進行直埋前要做好管道應(yīng)力分析。就土壤類型來說，黏土、沙土等對管道的摩擦和容重程度不同，這些因素直接導致管道所受到的垂直土壓力系數(shù)不同。例如：具有流動性的黏土容重為每立方米16.5～17.5KN，與供熱管道的內(nèi)摩擦角約為12 度，具有硬性的黏土每立方米容重為18～20KN；疏松的細沙每立方米容重15～16KN，與供熱管道的內(nèi)摩擦角為37 度，密實的細沙容重為每立方米17.5～19KN，與供熱管道的內(nèi)摩擦角為33 度；中等密實的中砂容重為每立方米17～18KN，與供熱管道的內(nèi)摩擦角為33 度，密實的中砂容重為每立方米17～19.5KN，與供熱管道內(nèi)摩擦角為34度。在計算完土壤對供熱管道的受力影響后，在直埋時也要堅持兩個規(guī)律，第一就是要明確大管徑供熱管道的管底承受的土壤壓力是最大的，其次是管頂，最后是管道兩側(cè)承受的土壤壓力最小。第二就是要明確鎮(zhèn)砂具有均勻壓實的作用，要確保大口徑供熱管道周圍的壓力均勻。除了受到外部土壤的壓力外，在進行大管徑供熱管道直埋時還會受到管道內(nèi)部荷載的影響。供熱管道通常由三層材料組合而成，大管徑的徑向應(yīng)力大部分為壓應(yīng)力，三層的大管徑供熱管道所承受的徑向壓力最大，最外部的護管承受的壓應(yīng)力與之相比要小很多，承受壓應(yīng)力最小的就是管道的保溫層。但是在供熱管道的鋼管組成部分承受的壓應(yīng)力就會與之相反。根據(jù)規(guī)程相關(guān)理論，供熱管道的壓應(yīng)力應(yīng)當符合 бj= （1-v） бt-αE （t2-t1） ≤3 [б]的要求。其中 бj 為熱脹應(yīng)力和內(nèi)壓的當量應(yīng)力變化范圍， [σ]為所選用的鋼材在計算溫度下的壓應(yīng)力，V 為所選剛才的泊松系數(shù)，α 所選用鋼材的線膨脹系數(shù)，E 為所選用鋼材的彈性模量，t1、t2 分別為管道工作循環(huán)時的最高溫度和最低溫度。除此之外，還要對大管徑供熱管道的直管段進行應(yīng)力計算，局部的彎曲和截面橢圓化變形也是影響穩(wěn)定的重要因素。

2 對大管徑供熱管道的壁厚與埋深計算進行分析

為了防止管道在直埋時發(fā)生形變，在進行鋪設(shè)前有必要對其壁厚進行計算。在綜合考慮應(yīng)力、穩(wěn)定性、內(nèi)部壓應(yīng)力等因素的基礎(chǔ)上要根據(jù)公式進行計算，在計算過程中要保證管道壁厚偏差率與壁厚之間成反比，例如：當管道壁厚偏差為0%時，理論壁厚為0.05 米；當偏差為-5%時，理論壁厚為0.105 米；當壁厚偏差為-8%時，理論壁厚為0.141 米；當壁厚偏差為-9%時，理論偏差為0.154 米；當壁厚偏差為-11%時，理論壁厚為0.18 米；當壁厚偏差為-12.5%時，理論壁厚為0.200 米。除了進行壁厚預(yù)算之外，對直埋的深度還要進行預(yù)算，因為直埋深度影響著管道的縱向失穩(wěn)程度。直埋大管徑供熱時管道的溫度會升高，而管道溫度一旦升高就會使管道產(chǎn)生熱仲長，熱仲長增加，管道在地下受到的土壤摩擦力就會加大，管徑軸向壓應(yīng)力也會增大。在管徑軸心壓應(yīng)力的作用下，供熱管道就會出現(xiàn)縱向失穩(wěn)。

3 采用有補償鋪設(shè)與無補償鋪設(shè)相結(jié)合的方法

大管徑的供熱管道在進行埋設(shè)時由于自身直徑限制更易出現(xiàn)縱向失穩(wěn)問題，所以在實際的工程建設(shè)時施工人員可以采取一些增加大管徑供熱管道內(nèi)部縱向穩(wěn)定性的有效措施預(yù)防問題的出現(xiàn)。例如：在進行直埋時采用有補償鋪設(shè)方法和無補償鋪設(shè)相結(jié)合的方法開展工作，在管道的彎頭、三通處設(shè)置相應(yīng)的固定墩子，每一個彎頭和三通處都安置一個固定墩，在彎頭較集中的地方可以適當增加2～3 個固定墩。固定墩產(chǎn)生的雙管推力可以通過具體的公式進行計算，即N=（αE▲T-vб+0.5б） A，其中 б 為管道環(huán)向應(yīng)力，A 為管道的截面積，v 為泊松系數(shù)，α 為管線的熱膨脹系數(shù)，E 為管道的彈性模量，▲T 為工作溫度與安裝溫度的溫差。例如：不同管井內(nèi)使用的固定墩推力不同，使用的修正推力方案也不同，當推力為130T 時，要保證安置的固定墩與彎頭的距離保持在20 米內(nèi)，這樣固定墩的推力才能修正在10T；當推力為50T 時，要保證安置的固定墩與彎頭的距離為15 米，這樣固定墩的推力才能修正在20T。有補償直埋要依靠彈性的鋪設(shè)方法縮小大管徑直鋪供熱管道的坡度變化范圍，在城市地下障礙物較多、各種管道網(wǎng)絡(luò)錯綜復雜的情況下，能夠通過預(yù)算深埋與分段鋪設(shè)的方法保障鋪設(shè)工作的順利開展。

4 結(jié)語

大管徑直埋鋪設(shè)供熱管道在國內(nèi)使用時間較長，施工技術(shù)也漸趨成熟，但是面對地下錯綜復雜的管道網(wǎng)絡(luò)以及各地區(qū)復雜的地形環(huán)境，在進行鋪設(shè)前相關(guān)人員還是應(yīng)該做好地形勘察、管道承受應(yīng)力、管道自身穩(wěn)定性等方面的工作，通過科學的計算原理對大管徑直埋供熱管道的壁厚與埋深進行預(yù)測，降低直埋過程中的風險系數(shù)，保證施工質(zhì)量，加快鋪設(shè)效率。本文僅僅在理論層面進行分析論述，在具體的施工過程中還需要技術(shù)人員結(jié)合實際情況進行優(yōu)化處理。