大管徑直埋供熱管道受力與穩(wěn)定性分析

達福云

摘要：隨著我國社會經(jīng)濟實力的全面提升，冬季供熱面積也在逐漸增加，尤其是北方地區(qū)，城市面臨熱負荷的快速增長和熱源短缺的矛盾，為了盡早實現(xiàn)“碳中和、碳達峰”目標，要充分挖掘主城區(qū)周邊電廠的余熱，形成以電廠余熱為主，天燃氣，電能等輔助調(diào)峰的清潔熱源結構。利用電廠余熱實施大溫差長輸管線供熱方式，致力于實現(xiàn)供熱的綠色與集中化及安全化目標。但是隨著對熱力管道技術參數(shù)的要求增高，選擇合適的熱力管道來滿足不同地質(zhì)條件的需求，便成為現(xiàn)階段供熱企業(yè)需要重點關注的問題。文章以此為背景，對大管徑的直埋供熱管道受力和穩(wěn)定性進行分析，以實際案例為基礎詳細闡述了無補償直埋敷設的應用，以便為后續(xù)工程設計提供一定的思路。

關鍵詞：大管徑；供熱管道；受力；無補償直埋敷設；穩(wěn)定性

中圖分類號：TU833.1文獻標志碼：A

0前言

如今供熱規(guī)模和面積的增加導致供熱管道敷設形式多元化的程度也在逐漸增加，供熱設備也變得多樣化，導致供熱管道其本身的管徑和運行壓力都會發(fā)生一定的變化?，F(xiàn)階段所運行的長輸管線熱力管網(wǎng)中，最大的管徑已經(jīng)超出了DN1400，最高工作壓力可以達到2.5 MPa。且為了減少這些管網(wǎng)占用城市空間的面積與施工周期，降低工程施工造價，大管徑的熱力管道成為目前供熱管網(wǎng)設計的最佳選擇[1]。雖然目前我國在大管徑管道的應用上有著一定的使用經(jīng)驗，對于架空和地溝類別的管線而言已經(jīng)可以滿足其技術施工需求，但是對于無補償直埋敷設的研究卻略顯不足。因此文章以實際案例為基礎，探討大管徑直埋供熱管道受力和穩(wěn)定性相關內(nèi)容，希望能夠為相關工程設計與建設提供一定的思路和方法。

1無補償直埋敷設技術相關概述

1.1無補償直埋敷設技術發(fā)展

預制直埋保溫技術起源于1960年，該項技術由北歐地區(qū)率先研究和發(fā)展，而我國最早應用預制直埋保溫技術是在1980年。該項技術最初應用時主要是基于彈性變形分析法，目的是為了能夠有效保證熱水管道彈性變形可以處于正常范圍內(nèi)，也就是處于彈性狀態(tài)中。通常情況下管道直管段主要采用的是熱補償裝置，使用預熱以及采用一次性補償器的安裝方法。直到20世紀90年代，該項技術經(jīng)過30年的發(fā)展后，北歐國家逐漸關注直埋熱水管道溫度應力，發(fā)現(xiàn)單一使用彈性分析法已經(jīng)無法滿足管道應用要求，之后提出了采用應力分類法計算直埋熱力管道強度計算[2]。1994年北歐國家頒布了關于無補償直埋的地區(qū)標準以及配套解釋標準，這在一定程度上明確和規(guī)定了對直埋熱水管道設計中需要應用應力分類法。我國當下采用的關于熱水管道直埋規(guī)定主要是借鑒北歐國家標準設定的。

1.2無補償直埋敷設技術選擇原則

文章第1部分提及在針對直埋供熱管網(wǎng)設計過程中需要采用應力分類法進行應力計算。其中，應力分類法主要是以不同特性的荷載形成的應力形態(tài)以及內(nèi)外因素對管道形成的破壞的影響對處于不同形態(tài)的管道應力進行不同的數(shù)值限定。在應力分類法中主要分為一次應力、峰值應力和二次應力[3]。目前，在進行大管徑直埋供熱管道設計中應用無補償冷安裝直埋敷設技術不但可以有效降低補償器的應用數(shù)量，同時還可以減少固定墩的使用，最大程度減少系統(tǒng)中危險點，提升管道使用的安全性和可靠性，在節(jié)約施工資金的同時保障施工質(zhì)量。因此，在滿足強度和管道穩(wěn)定性的前提下需要優(yōu)先選擇無補償冷安裝技術。

2實際案例分析

2.1工程概況

某工程（下文統(tǒng)稱本工程）供熱面積共計為1500m2，總長度為100 km，總供熱負荷達到了880 MW，其中一次熱水網(wǎng)管設計中供水溫度為130℃，回水溫度為70℃，設計管網(wǎng)壓力為1.6 MPa，本工程中最大管徑為DN1400。工作人員在進行管道設計過程中采用無補償直埋敷設冷安裝技術。

2.2大管徑直埋供熱管道無補償直埋敷設工作內(nèi)容

進行大管徑直埋供熱管道設計中應用無補償直埋冷敷設時主要考慮的內(nèi)容包括直管段應力計算、管道局部失穩(wěn)計算以及彎頭、三通、變徑等管件的強度計算和固定墩等設計。

當管道最高溫度與安裝問題之間的差值與允許差值相比更小時，即直管道當量應力變化低于3倍許用應力時則表示管道存在允許錨固段，所以不進行補償器設置，可以實現(xiàn)無補償冷安裝。

2.3局部失穩(wěn)檢驗

當管徑高于DN500時不但會出現(xiàn)上述破壞方式，同時管道存在的局部失穩(wěn)以及截面橢圓變形的發(fā)生概率也會極大增加，這將會成為大管徑直埋管道失效的重要原因，因此在設計過程中應當尤為考慮管道局部失穩(wěn)[4]。本工程由于管道直徑為DN1400，因此需要適當加大管道壁厚，進而避免管道出現(xiàn)局部失穩(wěn)問題，但是同時還需要注意供回水溫度不同的問題。因此本工程根據(jù)實際情況選取的管道壁厚見表1所列。

2.4直埋熱水管道管件強度分析

2.4.1彎頭應力計算

針對本工程彎頭應力計算后，在無法滿足應力情況下針對彎道采用控制彎臂長度的方式或加大彎曲半徑的方式確保補償彎管具有良好的吸收熱脹冷縮能力，同時保護彎管安全。

2.4.2折角計算

與彎頭相比，折角所具有的應變吸收能力較小，但是應力水平更高，因此對管道形成的破壞概率也更大。當管道運行時就會促使管道折角處出現(xiàn)過多的環(huán)向拉應力積壓，造成折角點形成的水平位移更多。

因此，本工程中針對DN500及以下的管道平面折角直接視為直管段，針對單折折角無法滿足《規(guī)程》的主要采用了多折替代單折的方法。針對管道直徑超過DN500管道主要是使用大彎曲半徑彎管替代大折角，以此有效規(guī)避由于預應力集中造成的局部失穩(wěn)問題。

2.4.3三通計算

對于主管來說，實施三通可以確保主管道具有良好的安全性，但是三通對于支管來說存在一定的破壞作用[5]。因此為了有效避免分支處出現(xiàn)應力過大問題，本工程主要采用了加強三通的方法，即主管開分支處位移量設定低于50 mm，同時在設計中使用補償器及固定墩確保位移量。

2.4.4變徑管計算

當溫度變化與異徑管最大溫差允許值相比較小時，本工程決定不對異徑管采取保護措施；當溫度變化與異徑管最大溫差允許值相比較大時本工程決定使用補償裝置，同時有效控制異徑管和補償裝置之間的距離。

2.5豎向設計

在進行直埋供熱管道埋設時最小覆土深度需要滿足表2要求，如若最小埋深無法達到要求時需采取相關保護措施，例如可以在管道上方加設混凝土板。

另外，由于管道溫升軸向力形成的壓桿效應會導致管道出現(xiàn)彎曲，管道彎矩較大，最終造成管道垂直方向出現(xiàn)失穩(wěn)[6]。因此，施工中需增加覆土深度，或者也可以采取在管道上方增加荷載的方式，或者選擇使用補償器，從而有效減少管道軸向力，達到穩(wěn)定性要求。

3結束語

本論述簡要分析了現(xiàn)有大管徑直埋供熱管道的受力情況和穩(wěn)定性分析存在瑕疵，但是大體上可對管道整體受力和穩(wěn)定性作出明確的說明。由此可以了解到，在使用大管徑直埋的供熱管道時，不僅需要注意其周圍土體對其造成的壓力導致其穩(wěn)定性受到影響相關內(nèi)容，還需要注意管道各個部分可能受到的壓力情況，在明確計算的基礎上方可選擇適合工程建設的管道類型。另外管道還可能遇到水體的壓力作用，本文由于篇幅有限這方面欠缺。希望本文所作出的簡要分析能夠為相關工程計算供熱管道受力和穩(wěn)定性上提供一些思路和方法。

參考文獻：

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[2]錢亨，雷勇剛，王飛，等.直埋供熱管道雙層折角的應力分析[J].中國科技論文，2020（8）：885-890.

[3]王暉，臧炯杰，王長祥.大直徑直埋熱力管道局部穩(wěn)定性因素影響分析[J].特種結構，2018，35（1）：79-83.

[4]曹珍，雷勇剛，王飛，等.直埋供熱管道直角彎管的優(yōu)化分析[J].暖通空調(diào)，2019，49（3）：135-139.

[5]周妍，孫強.長輸熱力管道無補償直埋施工技術[J].化工機械，2020，47（6）：860-862.

[6]崔峻.淺談城市集中供熱管道無補償直埋敷設[J].居業(yè)，2020（9）：74-75.