供熱直埋熱水管道的曲管問題研究

郭東升

（遼寧城建設計院有限公司，遼寧 撫順 113000）

0 引言

城市地下管線分布情況十分復雜，在鋪設供熱直埋熱水管道過程中，為躲避地下障礙物以及其他管線系統，需要及時調整供熱直埋管線方向，在此過程中需要使用大量曲管。與直管相比，曲管的荷載分布情況更為復雜，加工難度更高，不同角度的曲管，其受力情況存在很大差別。從理論方面來看，當供熱直埋管道曲管的轉角范圍在80°～120°時，曲管具有良好的補償能力，加工技術也較為成熟。但是在很多情況下，受限于施工現場實際情況，曲管的轉角范圍小于80°或大于120°。針對轉角范圍不在80°～120°的曲管受力情況的研究尚存在不足，無法保障其質量。因此，施工人員只能通過加裝補償器以及增加固定設備等方式，確保曲管能夠穩定工作，不僅增加了工程量，也會整個供熱管網系統增加了很多新的風險點。為解決這一問題，研究人員嘗試從力荷載、位移荷載以及力-位移荷載三方面入手，深入分析曲管荷載分布情況。同時基于供熱直埋管道的實際工作環境，分析供熱直埋管道的失效形式，并針對曲管可能出現的問題制定具有針對性的解決措施。實際生產過程中，小折角與曲管的加工方式以及受力情況存在很大不同，小折角的應力較為集中，零件的使用壽命較短且容易出現破損。但是與曲管相比，小折角的制備工作相對簡單，使用方式也較為靈活，因此被廣泛應用于管道敷設之中。根據《城鎮供熱直埋熱水管道技術規程（CJJ/T81-2013）》中的相關規定，當供熱管道循環溫差達到120℃之后，大口徑管道折角最大值不得超過0.1°，這就令折角的使用價值顯著下降。與折角相比，曲管的受力更為均勻，可以通過調整曲管半徑的方式提高其承受能力，研究供熱直埋熱水管道曲管問題，能夠進一步提高曲管適用性，為5°～40°曲管在供熱直埋管道系統中的應用提供理論基礎。因此，該研究具有較強的理論意義與現實意義。

1 管道荷載和失效形式

1.1 管道所受荷載

在供熱管網系統中，熱水管道產生內力或是使管道變形的作用力稱為管道所受荷載[1]。管道受到的荷載種類較多，當管道因荷載發生變形時，也會導致力學作用產生，對管道造成一定的破壞效果。管道變形與荷載之間的關系是對管道所受荷載進行劃分的依據，荷載形式主要包括：

1.1.1 力荷載

管道所受的力荷載，通過作用力的形式施加在管道上，力荷載有內壓力、垂直凈土壓力和機動車動土壓力三種。

當管道承受內壓力時，會出現變粗變短的趨勢，內壓力作用在管壁上產生環向應力：

式（1）中：Pd表示內壓力，Di表示供熱水管內徑，δ表示供熱水管管壁厚度。

垂直靜土壓力計算公式一般有兩種，主要是根據管道中心線與當地地下水位深度之間的高低關系來分。

在管道中心線高于地下水位時，土壤應力計算如下：

式（2）中：σv是土壤施加給管道的應力，ρ表示回填土密度，g是重力加速度，H為供熱水管的回填土深度。

當管道中心線低于地下水位時，土壤應力計算如下：

式（3）中ρsw為回填土有效密度，Hw為地下水位線深度。

依據相關設計規范，在計算機動車動土壓力時：一般取α=30°，因此機動車作用在管道上的動土壓力為：

式（4）中的h 表示直埋敷設管道覆土深度。現對直埋敷設管道規定了不同的最小覆土深度，如表1 所示。

表1 管道回填土最小深度

1.1.2 位移荷載

使管道發生變形或產生位移的效果的作用力稱為位移荷載。位移荷載的產生原因主要有固定墩的固定作用和初應變荷載兩種。

固定墩的作用是固定管道以控制管道變形的，同時會受到來自管道兩側比較大的推力。固定墩與管道之間的互相作用力分別是管道因溫度變化產生的熱伸長量，由于受到覆土壓實而受限制，進而受到固定墩的作用力；被固定的管道兩側，因計算截面積不同產生內壓力不平衡的作用力；管道活動部分因發生位移受到的作用力，例如套筒補償器與管道之間產生的摩擦力、曲管的彈力、土壤與管道之間的摩擦力等。

初應變荷載即管道內水溫變化與內壓力作用下的泊松拉應力產生初應變導致的荷載。忽略管道塑性變形，在彈性狀態下的初應變荷載為：

式（5）中，σ代表初應變荷載，T1與T0表示供熱循環水溫度極值，E 代表地面振動荷載，該公式由兩部分組成，前后兩部分分別是由溫差導致的初應變荷載和內壓泊松效應導致的初應變荷載。

1.1.3 力-位移荷載

受周圍土壤的作用，供熱直埋熱水管道所受的力-位移荷載與架空敷設和地溝鋪設有較大不同，主要有補償器的彈性力、土壤的側向壓縮反力和土壤與管道之間的摩擦力三種。

補償器的彈性力：在直埋供熱管網中經常會使用到補償器，套筒補償器產生的摩擦力并不是力-位移荷載；波紋管補償器由于其波紋所具有的剛度，在管道受熱膨脹時會產生相應的彈性力。

土壤的側向壓縮反力：由于管內溫度變化頻率高，曲管彎頭的兩側都會發生軸向位移，在一側軸向位移的作用下，又會引起另一側的水平位移，使得彎頭與土壤之間形成側向擠壓，此時會有土壤的側向壓縮反力產生，這也是力-位移荷載的一種。

土壤與管道之間的摩擦力：管道與土壤之間由于滑動經常會產生摩擦作用力，土壤對管道產生的摩擦力會因距離長短而不同，相對管道有位移產生甚至有位移趨勢時產生的摩擦力。

1.2 直埋熱水管道失效形式

依據現有對管道應力的分析方法可知熱水管道所受荷載分別是一次應力、二次應力和峰值應力[2]。分析不同應力時需采用相應的強度理論進行分析，進而對管道失效方式進行分類。對常見的管道失效方式進行總結后，可將管道失效形式分為無限制塑性變形、循環塑性變形和疲勞破壞三種。

無限制塑性變形：管道內充注著有壓高溫液體，在管內流動時熱水會對管壁產生應力作用，如果應力超過規定值范圍，就會導致管道發生無限制塑性變形，在情況比較嚴重的時候，熱水管道會因此炸裂開來。

循環塑性變形：管道內水溫在高溫低溫之間循環，巨大的溫差導致管道經常性熱脹冷縮，使得管道產生交替拉伸、壓縮屈服，此情況同時產生一次應力與二次應力，當前述兩種應力同時作用時，就會使得管道產生循環塑性變形。管道溫度會隨著管道內部水溫的變化而變化，由于水溫在高溫與低溫之間循環，所以供熱管道的形變值就會出現最大值與最小值。

疲勞破壞：疲勞破壞分為低循環疲勞破壞和高循環疲勞破壞兩種。管壁溫度變化是導致熱水管道破壞的主要原因，在供熱過程中，對管道內的水溫有要求，不能忽冷忽熱，管內溫度很少會變，由于不經常發生的溫差變化引起的破壞稱為低循環疲勞破壞。當機動車等通過管道上方時，其荷載會導致土壤下方管道產生應力集中，加之機動車出現概率較大，數量較多，所以稱之為高循環疲勞破壞。其與管道的填埋深度有關，可適當采取增加埋深度等措施減小高循環疲勞破壞對管道的影響[3]。

2 直埋熱水管道曲管特點及制備方式

2.1 曲管的特點

在供熱直埋熱水管道兩端分別增加彎曲力矩時，會使管道產生彎曲，此時管道的曲率半徑會依據施加力矩的大小變化為與之對應大小。直埋熱水管道一般為鋼管，鋼管發生彎曲的地方稱為變形區，未發生變形的區域稱為未變形區。當管道發生彎曲情況時，管道內部的金屬晶格會發生變形，在管道截面處，內部金屬晶格變形方式并不一致，其中內側晶格會在彎矩的壓力下產生的壓縮變形；管道彎曲外側晶格是受相反的彎矩產生的拉力從而變形的。

在供熱直埋熱水管道產生彎曲的初始階段，管材還處于彈性時期，應力和應變之間是正比例關系，也符合胡克定律，在彎曲剛開始時應力、應變中性面均通過橫截面的重心，并與之重疊。當管道彎曲程度越來越大時，管道內外壁會隨之產生屈服，并且向管道中間發散，管材逐步進入屈服階段，在管材發生屈服的過程中，應力、應變中性面都會相對橫截面重心有所偏移，偏移方向隨曲率半徑的增大向彎曲中心進行，在偏移過程中，應變中性面的偏移量會小于應力中性面的偏移量[4]。

供熱直埋熱水管道的變形主要是由曲管內側的壓縮與外側的拉伸引起的，在整個的應變中切向應變是最大的。當材料處于沒有變形的狀態時，只有在材料產生線應變量時，會使得原材料的長度與或者體積產生變化；同時，因為切應力導致的相關變化往往會使得應變的數值相反，所以，通常情況下也會忽略此變化。在供熱直埋熱水管道彎曲過程中，在管道變形區的最內側和最外側產生的切應力的數值往往是最大的，變形區內管壁內外側的厚度變化幅度也是最大的。隨著管道彎曲程度越來越大，管壁的厚度變化也會越來越明顯，變化幅度也會較之前有所增加。此時，曲管內外側會出現不同的情況：曲管外側由于壁厚減小出現裂紋，在曲管內側會因為管壁厚度增加使材料之間產生擠壓最終出現屈曲。當彎曲管道口徑比較大時，原本彎曲后呈現的圓形截面會出現橢圓化的變形[5]。供熱直埋熱水管道彎曲的過程中非常容易產生不良后果，最為常見的有：（1）曲管外側管壁厚度過分降低，越來越薄，最終導致管道出現裂紋；曲管內側管壁厚度由于管材的不斷堆積以致過度，最終容易產生褶皺；（2）曲管原本的圓形橫截面會在彎曲過程中產生橢圓化的變形。

2.2 曲管的加工制備方式

在具體加工工藝中，曲管的加工制備方式是比較多的，分類標準也不一樣，比如根據彎管形式不同可以分為壓彎、拉彎、繞彎等多種方式；在加工制備曲管時如果有加熱，就稱為熱彎彎管，沒有加熱的稱為冷彎彎管；還有依據加工制備時如果有填充應用的物料的就稱為有芯彎管，沒有任何物料填充的就稱無芯彎管。在制備曲管時在考慮管道截面外形特征、曲管制備工藝影響因素之外，還應當要注意：（1）在實際的工程中，曲管的制備工藝需要根據材料種類、應用精度需求、不同外形尺寸數據等，綜合考量選用符合要求的制備工藝；（2）根據曲管的綜合屬性，選取可降低管道截面變形、管壁厚度變化的制備工藝，以提升管道的質量；（3）在制造設備的選擇方面應當選用操作簡單、廣泛通用的彎管模具與機械設備；在保證生產效率的同時，盡量選擇經濟效益好的制備工藝。

3 曲管加工中存在問題與應對措施

加工曲管過程中，受到加工技術的限制以及粗放式加工模式的制約，曲管加工質量會受到一定的影響。比如加工管材彎曲后可能會出現管壁厚度的增加或減少，使得管壁厚度整體不均勻，管道截面進一步出現橢圓化形變的情況。一般情況下，隨著管道彎曲程度越來越大，管道曲率半徑也會出現相應的變化，可能會使管道的形變程度加劇，不利于實際應用[6]。

3.1 管道加工缺陷

3.1.1 管道壁厚不均

管道壁厚不均勻的情況主要是由管道彎曲過程中外側拉應力、內側切應力作用引起的。曲管部位外側拉應力使管壁厚度減少，內側壓應力使得管壁厚度增加，其內弧、外弧處管壁厚度變化最大，終使得管壁厚度不均勻。如果管道壁厚度不均，管道內的有壓流體會對管壁產生不同程度的壓力，部分管壁對內部有壓流體的壓力承受能力大幅降低，對供熱直埋熱水管道的工作情況造成很大影響。

加工過程中，往往引入壁厚減薄率來檢測管材加工質量：

在式（6）中，t為設計管道壁厚，tmin為管道發生彎曲后管壁的最小值。

管道的應用場景不同時，對管道壁厚減薄率的要求也不盡相同。均勻彎曲管壁厚度最大減薄量以△t 計：

式（7）中t為管道設計壁厚，D為管道外側直徑。

管壁厚度降低變薄，既受到彎曲半徑和相對厚度影響，也受到所選曲管方式影響。

3.1.2 管道截面橢圓化

在管道發生彎曲時，因為管道橫截面上管壁的變形程度不同，會導致管壁截面的形狀發生變化，由圓形變為橢圓形。管道的端面形變程度越大，截面的橢圓形變程度就會隨之增大，所以管壁截面的橢圓形變程度側面反映了曲管的加工質量。供熱直埋熱水管道出現彎曲后，供熱管網系統會因為管道截面橢圓化出現很多潛在的隱患，對整個系統造成威脅。比如，管道截面橢圓化會導致管道截面面積變小，管道內的流體循環壓降會增大，還有管道截面橢圓化會使得曲管難以在供熱管網中發揮相應的作用。在研究管道截面變形程度時，為方便研究分析，引入橢圓度概念：

式（8）中u為橢圓度，Dmax與Dmin分別表示管道彎曲以后截面某一方向測量到的最大外徑與最小外徑。根據公式可以看出，曲管截面變形程度越大，橢圓度數值也會越大。因此。想要保證曲管的加工質量，橢圓度是很合適的參考。

3.2 曲管加工缺陷的應對措施

3.2.1 提升管道壁厚均勻度

將管道彎曲時產生的應力集中進行分散，減少受力集中。在管道彎曲過程中，將彎曲管材的內側部分加熱，擴大管道彎曲時內側受壓部分的變形區，減小受熱管材的變形抗力，從而減小外側受拉部分的應力，進一步降低管道壁厚不均。

調整管道彎曲時變形區內部應力分布，即增加管道彎曲內側的壓應力，減小外側的拉應力。比如使用繞彎彎管制備工藝時，采取定壓彎管的措施，就會大幅減小管道壁厚不均情況的出現。在管道彎曲時，對管材施加軸向壓力，將曲管中原有應力分布進行改變，比如，向外部偏移原有的應力中性面，可以使壓縮變形的范圍得到擴大，同時使拉伸變形的范圍有所縮減，從而減少管道壁厚不均的情況。再比如，應用推彎加工工藝制備曲管時，通過對管道施加軸向力，改變變形區內應力分布的狀態，進一步增加壓應力的組成成分，提高壁厚均勻程度。

3.2.2 降低管道截面橢圓度

在加工制備曲管時，可以采用增加適量芯棒以支撐斷面的方法，降低管道截面的橢圓形變程度。在加入芯棒時，要充分了解加工工藝，以便選取正確的芯棒，比如在采用壓彎或者繞彎等制備工藝時，通常會在曲管內插入截面亦為曲面的剛性芯棒。將其放在需要彎曲變形的部位以支撐管道，當管道彎曲結束后，將芯棒從管道內逐漸移出即可，這樣會對管道端面橢圓度的減小起到了較好的效果。

為避免管道截面橢圓化變形，也可以采用向管道內填充一定的物質材料的方法。通常情況下向管道內進行填充的材料有固體顆粒（細砂、橡膠顆粒等）、液態流體（水等）、合金材料（熔點要低）等。這幾種填充物比較容易在管道彎曲后倒出，對彎管的使用不會造成太大影響。并且，此方法由于操作簡單，填充物易得，而被廣泛應用于實際工程中。

應用模具控制管道截面變形。在曲管加工制備時，采用與管道匹配的模具，從管道的外部進行固定作用以控制截面變形，進一步降低曲管截面橢圓化的形變。

4 結論

為滿足供熱直埋熱水管道工程施工要求，相關研究人員深入研究大直徑供熱直埋管曲管加工方法以及應力分布，并利用ANSYS 軟件對不同直臂長度、不同曲率半徑、不同轉角曲管進行有限元分析，并得出了許多重要結論：（1）通過對大直徑直埋熱水供熱管道的溫度載荷、內壓載荷和適當邊界條件的模擬分析，得出應力主要集中在內弧內表面和中性面外表面。（2）闡述了目前各種曲管加工工藝。針對各種加工方法的缺陷，提出了減小橢圓度和不等臂厚的方法，并指出了適合工廠預制的加工方法和施工現場彎管的方法。（3）當平均臂長相同時，肘部的應力大致相同。這一結論簡化了曲管類型，使等臂長度的研究結果適用于直臂組合的各種工況。