摘要:本文介紹了供熱管道直埋敷設(shè)的發(fā)展現(xiàn)狀及其分類，并對有補(bǔ)償直埋敷設(shè)和無補(bǔ)償直埋敷設(shè)的設(shè)計方法進(jìn)行了闡述，并介紹了這兩種方法下管道的布置形式。最后提出了供熱管道直埋敷設(shè)中存在的一些問題，并闡述了其解決思路。
關(guān)鍵詞:供熱管道敷設(shè)，有補(bǔ)償直埋敷設(shè)，無補(bǔ)償直埋敷設(shè)，技術(shù)探討
中圖分類號：TU833文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
前言
在城市的供熱系統(tǒng)中，供熱管道的投資占有非常大的比例。供熱管道直埋敷設(shè)技術(shù)發(fā)展較早，在一些發(fā)達(dá)國家應(yīng)用較普遍。我國自80年代開始應(yīng)用此項技術(shù)，從此我國的供熱管道直埋技術(shù)迅速發(fā)展并得到了廣泛的應(yīng)用。
一.直埋敷設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀及其分類
1. 直埋敷設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀
國內(nèi)供熱直埋管道的受力分析主要采用從國外引進(jìn)的應(yīng)力分析法。應(yīng)力分析法認(rèn)為根據(jù)不同的應(yīng)力作用形式，管道會發(fā)生不同形式的破壞，應(yīng)采用不同的應(yīng)力驗算方法。1976 年北京市煤氣熱力設(shè)計院等五家單位合作在熱力管道無補(bǔ)償直埋敷設(shè)試驗研究中采用應(yīng)力分類法進(jìn)行無補(bǔ)償?shù)睦碚撗芯亢同F(xiàn)場實測，證實了采用應(yīng)力分類法理論計算結(jié)果的正確性�太原理工大學(xué)和太原熱力公司用三年的時間完成了大直徑管道摩擦系數(shù)的試驗研究。得出結(jié)論《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T81―98)（以下簡稱《規(guī)程》）給出的回填土摩擦系數(shù)的取值范圍可以適用于大直徑管道的直埋敷設(shè)管道受力設(shè)計計算中。
三通、彎頭等薄弱部件處的保護(hù)措施以及預(yù)熱方法等技術(shù)也在不斷的更新。目前國內(nèi)外對于直埋管道受力的設(shè)計原則雖然不完全一致，但是大部分都遵循盡量避免整個管道中有補(bǔ)償安裝，而只在局部薄弱部件處進(jìn)行補(bǔ)償保護(hù)的原則。鑒于《規(guī)程》頒布時直埋敷設(shè)的發(fā)展?fàn)顩r，《規(guī)程》中對直埋敷設(shè)的一些設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了限制，明確指出《規(guī)程》適用于供熱介質(zhì)溫度小于或等于150℃，公稱直徑小于或等于500mm 的鋼質(zhì)內(nèi)管、保溫層、保護(hù)外殼結(jié)合為一體的預(yù)制保溫直埋熱水管道。
2. 直埋敷設(shè)網(wǎng)的分類
直埋供熱管網(wǎng)的敷設(shè)方式按照長直管段是否允許出現(xiàn)無補(bǔ)償管段分為兩大類：有補(bǔ)償敷設(shè)和無補(bǔ)償敷設(shè)。無補(bǔ)償敷設(shè)按照管道焊接溫度又可分為冷安裝和預(yù)應(yīng)力安裝。就滿足安定性條件而論，有補(bǔ)償敷設(shè)可用于各種供熱系統(tǒng)，而無補(bǔ)償敷設(shè)是有條件的，即使采用預(yù)熱安裝也是如此。從管段的應(yīng)力變化范圍分析，冷安裝應(yīng)力變化范圍和預(yù)熱安裝相同，但冷安裝管道的應(yīng)力幅度約為預(yù)熱安裝的二倍，即直管段和彎頭的升溫軸向力約為預(yù)熱安裝的二倍。從管道工程施工速度和工程造價看，冷安裝最快、最省，而預(yù)熱安裝次之，有補(bǔ)償安裝最慢、最貴。從對預(yù)制保溫管質(zhì)量，管道附件質(zhì)量，工程施工質(zhì)量等角度考慮，同等管道壽命，冷安裝要求的質(zhì)量更高。
二有補(bǔ)償直埋敷設(shè)和無補(bǔ)償直埋敷設(shè)的設(shè)計方法
直埋供熱管網(wǎng)敷設(shè)，設(shè)計原理分為彈性分析法和安定性分析法。根據(jù)管徑和管網(wǎng)走向，通過采取一定技術(shù)措施，使直埋管網(wǎng)中的管道及管件，都能滿足相應(yīng)的強(qiáng)度和穩(wěn)定條件而處于安全狀態(tài)。
1.有補(bǔ)償直埋敷設(shè)
按照傳統(tǒng)的管道強(qiáng)度驗算方法，對各種載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，均按彈性分析理論或極限分析理論的強(qiáng)度條件控制，將各種荷載產(chǎn)生的應(yīng)力疊加，僅計算綜合應(yīng)力對管道系統(tǒng)的影響，以控制荷載引起的應(yīng)力、應(yīng)變在彈性范圍內(nèi)并考慮足夠的安全余量作為限定值，只要求管道任意截面的總應(yīng)力不超過鋼材的許用應(yīng)力，因此計算方法簡單。利用補(bǔ)償器吸收熱位移來降低直管段的溫度應(yīng)力，設(shè)計結(jié)果是固定支架和補(bǔ)償器的數(shù)量很多。
2.無補(bǔ)償直埋敷設(shè)
管道的強(qiáng)度驗算采用先進(jìn)的應(yīng)力分類法，根據(jù)由不同特性的荷載產(chǎn)生的應(yīng)力性態(tài)和對管道破壞的影響，對應(yīng)力進(jìn)行分類并采用不同的強(qiáng)度條件控制，其中溫度應(yīng)力采用按定性分析理論控制，使得只要管段能夠滿足應(yīng)力分析對應(yīng)的強(qiáng)度條件，無需設(shè)置補(bǔ)償器來降低直管段溫度應(yīng)力，其它應(yīng)力則需要固彈性分析理論及疲勞分析理論進(jìn)行分析，因此計算復(fù)雜。設(shè)計結(jié)果是管道上很少設(shè)置補(bǔ)償器和固定支架。
三、有補(bǔ)償直埋敷設(shè)和無補(bǔ)償直埋敷設(shè)管道的布置形式
1. 有補(bǔ)償直埋敷設(shè)
當(dāng)采用有補(bǔ)償直埋敷設(shè)時可不考慮管道失穩(wěn)，隆出地面等問題，所以工程中會盡量淺埋。淺埋敷設(shè)可減少土方量，敷設(shè)時不設(shè)混凝土墩，不僅降低了工程造價，縮短了工期，而且減少了由地下水位高帶來的熱損失，延長了管材的使用壽命，使后期運(yùn)行維護(hù)管理更加簡單、省心。但由于要采用補(bǔ)償器吸收熱位移來降低直管段的溫度應(yīng)力，管道和土壤之間摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力較大，補(bǔ)償段長度較短，管網(wǎng)中需設(shè)置大量補(bǔ)償器和固定支座。因此，管網(wǎng)占用空間大，布置形狀復(fù)雜。
2. 無補(bǔ)償直埋敷設(shè)
當(dāng)供熱管道采用無補(bǔ)償直埋敷設(shè)設(shè)計時，在工作溫度范圍內(nèi)，當(dāng)管道熱伸長受阻產(chǎn)生的溫度應(yīng)力能夠滿足安定性分析的強(qiáng)度條件時，從管道強(qiáng)度角度考慮在長距離直管段上可不設(shè)補(bǔ)償器。但是對于長距離敷設(shè)的直管段，如果允許管道發(fā)生塑性變形或軸向應(yīng)力接近屈服極限，易出現(xiàn)由于材料允許的缺陷或不均勻現(xiàn)象所造成的破壞，如鋼管壁厚偏差的影響，因此，需要根據(jù)現(xiàn)場條件采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，可能需要設(shè)少量補(bǔ)償器及固定支座，但總體上系統(tǒng)管網(wǎng)占用空間小，布置形式簡單。
四、直埋敷設(shè)中存在的問題及解決思路
近幾年的直埋敷設(shè)熱水管道很多都需要使用大直徑、高壓力的管道，原來的適用于小直徑管道的設(shè)計方法和公式有待改進(jìn)。同時，直埋技術(shù)不斷發(fā)展，大直徑管道的無補(bǔ)償安裝、薄弱部件加強(qiáng)等技術(shù)也越來越廣泛的應(yīng)用于實際工程中。經(jīng)過調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)直埋敷設(shè)管道受力設(shè)計存在以下幾個問題，進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的解決方法。
1.直埋管道受力設(shè)計方法適用范圍有待擴(kuò)展。
《規(guī)程》中給出的直埋管道受力設(shè)計方法適用于供熱介質(zhì)溫度不大于150℃。公稱直徑不大于DN500mm的一體型預(yù)制保溫管。可是現(xiàn)在的供熱管道規(guī)格已經(jīng)達(dá)到公稱直徑DNl200mm；管道的工作壓力也很大。一些工程已經(jīng)使用了工作壓力2．5MPa的管道的無補(bǔ)償冷安裝直埋敷設(shè)計。
《規(guī)程》以及一些設(shè)備廠家在設(shè)計手冊中給出的公式、圖表大多是對較低工作壓力、較小直徑管道的簡化結(jié)果，這些要求是否適用于大直徑、較高工作壓力的直埋敷設(shè)管道的受力設(shè)計還有待研究。另外，《規(guī)程》中對于固定墩推力的計算是基于粉質(zhì)粘土或砂質(zhì)粉土的情況，并按照一定的摩擦力下降規(guī)律給出的，但沒有給出土壤特性及摩擦力情況不同時的計算方法。
解決該問題的思路是以現(xiàn)有的管道受力設(shè)計方法為基礎(chǔ)，對現(xiàn)有的公式、原理進(jìn)行深入分析，重點(diǎn)考慮大直徑管道的設(shè)計要點(diǎn)、循環(huán)塑性變形失效。
2.對大直徑管道失效方式的研究有待提高。
管道中發(fā)生不同失效方式的位置和情況都有所不同。直管以及不同的管路附件(直管、三通、彎頭、閥門等)對應(yīng)著各自不同的失效方式。而現(xiàn)行的直埋管道受力設(shè)計方法中只考慮了其中部分的失效方式，是對小直徑管道等設(shè)計條件下管道應(yīng)力分析的一種簡化。例如：《規(guī)程》中對于直管的受力設(shè)計只考慮了無限制變形破壞、整體垂直失穩(wěn)和循環(huán)塑性變形，而沒有考慮局部失穩(wěn)破壞。對于大直徑、較高工作壓力的管道，必須考慮管道的局部失穩(wěn)破壞。
隨著供熱管道直埋敷設(shè)應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大。在實際的受力設(shè)計中，應(yīng)考慮大直徑管道受力特點(diǎn)，根據(jù)具體的情況，選擇相應(yīng)的管道失效方式進(jìn)行分析和驗算，才能保證管道受力設(shè)計的合理、工程的運(yùn)行安全。
結(jié)語
總之，供熱管道直埋敷設(shè)技術(shù)在目前是一項比較先進(jìn)的技術(shù)，而且有著非常顯著的經(jīng)濟(jì)效益，對供熱節(jié)能也有著非常重要的貢獻(xiàn)。因此，我們要進(jìn)一步完善供熱管道直埋敷設(shè)技術(shù)，使其應(yīng)用更加廣泛、高效。
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