直埋供熱管網(wǎng)工程設(shè)計兩種計算方法對比分析

趙曉剛

1 問題的提出

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的集中供熱工程，也逐漸從鍋爐房集中供熱向熱電廠區(qū)域供熱形式轉(zhuǎn)變，由此帶來一次網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，主干線管徑也從最初的DN450～DN500增長到了DN800～DN1 000，甚至達(dá)到DN1 200。與此同時，供熱管網(wǎng)的敷設(shè)方式也從架空、地溝方式逐漸轉(zhuǎn)向預(yù)制直埋敷設(shè)。直埋供熱管道分為無補償直埋敷設(shè)和有補償直埋敷設(shè)。無補償直埋敷設(shè)又可分為冷安裝無補償、預(yù)應(yīng)力無補償。預(yù)應(yīng)力無補償又分為機(jī)械拉伸、敞槽預(yù)熱、一次補償?shù)榷喾N形式。預(yù)熱方式又分為熱水、熱風(fēng)和電熱等。

在直埋供熱管網(wǎng)設(shè)計過程中，選擇有補償還是無補償是經(jīng)常被討論的事情。如何確定和取舍對整個工程的經(jīng)濟(jì)性影響較大。

目前，國內(nèi)設(shè)計單位有兩種意見，一種是基于彈性理論分析，不認(rèn)可管網(wǎng)可以發(fā)生任何塑性變形，并基于此進(jìn)行直管段的補償計算;另一種是歐洲20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的基于彈塑性理論分析，允許管網(wǎng)發(fā)生有限塑性變形，按應(yīng)力分類進(jìn)行安定性條件判定，并基于此進(jìn)行補償計算。

上述兩種方法簡單來說就是基于彈性理論分析方法，對于供水溫度大于80℃的長直管道段，均不允許出現(xiàn)錨固段，也即要求管網(wǎng)設(shè)計必須考慮補償裝置，補償器間距隨管徑變化約為100 m～200 m一處;基于安定條件分析方法，對于供水溫度大于140℃的長直管道，不允許出現(xiàn)錨固段，這對于一般的供熱管網(wǎng)來說已經(jīng)足夠。也就是說，按照彈塑性分析方法，進(jìn)行供熱系統(tǒng)設(shè)計，可以按無補償設(shè)計(一般一次網(wǎng)供水溫度130℃以下，二次網(wǎng)則更低)。

2 直埋管的應(yīng)力驗算

2.1 穩(wěn)定性分析

1)整體穩(wěn)定性分析:直埋管最小覆土深度應(yīng)滿足垂直穩(wěn)定性要求，一般而言，大于DN700的直管道不必以垂直穩(wěn)定性考慮限制其埋深。

2)局部穩(wěn)定性分析:公稱直徑不大于DN800、工作溫差小于85℃時，不會出現(xiàn)局部失穩(wěn);當(dāng)供水溫度大于130℃、公稱直徑大于DN800時，采用標(biāo)準(zhǔn)壁厚的鋼管，在錨固段可能會出現(xiàn)局部皺結(jié)。

2.2 強度驗算

無補償管段強度驗算有兩種強度驗算理論:彈性分析法(第四強度理論)和安定分析法(彈塑性分析，第三強度理論)。

直埋管的安定條件判斷，根據(jù)應(yīng)變大小可分為不發(fā)生任何塑性變形(Δε≤2εs，|ε|＜εs，安定狀態(tài))、發(fā)生有限塑性變形(Δε≤2εs，|ε|＞εs，安定狀態(tài))、發(fā)生循環(huán)塑性變形(Δ ε＞2εs，不安定狀態(tài))。

1)極限分析:為防止管道出現(xiàn)塑性流動，必須保證一次應(yīng)力小于屈服極限σs。考慮安全因素后，設(shè)計應(yīng)保證一次應(yīng)力不大于許用應(yīng)力[σ]。2)安定分析:為使管道處于安定，必須保證一次應(yīng)力(工作壓力產(chǎn)生的內(nèi)力，包括軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力)與二次應(yīng)力(熱應(yīng)力，升溫產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力，降溫產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力)共同作用下當(dāng)量應(yīng)力變化范圍小于2倍屈服極限 σs。考慮安全因素后，用抗拉強度σb代替 2σs。管道安定條件:當(dāng)量應(yīng)力變化范圍不大于3[σ]。3)疲勞分析:一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、峰值應(yīng)力(三通、變徑、彎管等局部應(yīng)力集中)綜合作用下應(yīng)力變化范圍不大于 6[σ]，亦即當(dāng)量應(yīng)力幅度不大于3[σ]。

3 直埋管網(wǎng)設(shè)計原則

1)關(guān)于過渡段長度計算。當(dāng)直管段兩端補償裝置間距大于過渡段極限長度(最大摩擦長度)兩倍時，在兩(自然)錨固點之間會形成一無補償管段(自然錨固段);當(dāng)補償裝置間距不大于兩倍過渡段長度時，以駐點為界分為兩個過渡段(有補償段)。

無補償冷安裝直埋敷設(shè)的條件:根據(jù)彈性理論分析(σeq≤1.35[σ])，只要安裝溫差不大于彈性溫差，就允許直管段不安裝補償器而進(jìn)行無補償直埋敷設(shè)，管道在彈性狀態(tài)下運行。換言之，當(dāng)安裝溫差大于彈性溫差時，直管段中不允許存在錨固段，必須安裝補償器，設(shè)置補償器的最大間距即為管道存在錨固段時過渡段長度的兩倍。過渡段長度可以根據(jù)存在錨固段時駐點處軸向應(yīng)力以及單長摩擦力求出。

上述彈性溫差(58.0℃～67.4℃)與管道工作壓力(1.0 MPa～2.5 MPa)、公稱直徑(DN40～DN1 000)有關(guān)。供熱管網(wǎng)安裝溫度按10℃計算，設(shè)計供水溫度一般均大于80℃，回水溫度均小于80℃，因此，無論一次，還是二次網(wǎng)，直埋管供水管均需安裝補償裝置，回水管可考慮無補償敷設(shè)。

基于彈塑性理論分析，與彈性理論類似，當(dāng)安裝溫差大于彈性溫差時，直管段中不允許存在錨固段，必須安裝補償器。事實上，對于130℃，1.6 MPa的直埋管是允許存在錨固段的。

按照安定分析方法，在計算熱伸長時必須先確定管道的屈服溫度，當(dāng)安裝溫差小于屈服溫度時，伸長量仍按彈性分析方法計算;當(dāng)安裝溫差大于屈服溫差且小于彈性溫差時，管道允許進(jìn)入屈服階段，伸長量計算還需知道過渡段長度。

同樣地分析，當(dāng)安裝溫差大于彈性溫差時，管道不允許進(jìn)入錨固狀態(tài)。管道的安裝長度應(yīng)小于存在錨固段時的過渡段長度。

2)關(guān)于固定支架設(shè)置原則。當(dāng)直管段兩端同為(普通)補償器或彎管補償時，直管段上可不設(shè)固定墩;一端為補償器，一端為補償彎管，當(dāng)補償器至彎管的摩擦力大于流體作用于彎管的內(nèi)壓推力(盲板力)時可不設(shè)固定墩，否則應(yīng)在固定點處設(shè)置固定墩。

3)關(guān)于冷安裝和預(yù)熱安裝。從應(yīng)力變化范圍分析，冷安裝與預(yù)熱安裝是相同的，但是預(yù)熱安裝的應(yīng)力幅度約為冷安裝的一半，也就是說，采用無補償冷安裝時管道附件如彎頭、三通、變徑、折角等的升溫位移將會是預(yù)熱安裝的兩倍。預(yù)熱安裝又可分為整體預(yù)熱、分段預(yù)熱和一次補償三種形式，其中一次補償為回填預(yù)熱。由于管道熱應(yīng)力變化與管道整體焊接溫度無關(guān)，對于直管段、變徑、三通、彎頭等局部管件的強度驗算，冷安裝與預(yù)應(yīng)力安裝均具有相同的強度狀態(tài);然而，由于預(yù)應(yīng)力安裝管道整體焊接溫度提高，使溫升降低，這樣，預(yù)應(yīng)力安裝比冷安裝管道軸向內(nèi)力、固定墩推力和補償器補償量將會有所下降，從而管道整體和局部的穩(wěn)定性將有所提高。

4 兩種設(shè)計方法對比

以下分別按照彈性分析方法和彈塑性分析方法進(jìn)行長直管道的設(shè)計計算，并將過渡段長度、最大軸向應(yīng)力及熱伸長量進(jìn)行列表分析，見表1，表2。

表1 彈性分析法計算結(jié)果統(tǒng)計表

表2 彈塑性分析法計算結(jié)果統(tǒng)計表

由表1、表2的對比分析可以看出，基于彈塑性理論進(jìn)行無補償設(shè)計的最大軸向推力將會是基于彈性理論進(jìn)行無補償設(shè)計的2倍;同時，表征補償器間距的過渡段長度會是有補償設(shè)計的3.0倍～3.5倍，熱伸長量是 3.5倍～4.0倍。

5 結(jié)語

1)基于彈塑性理論，采用應(yīng)力分類法進(jìn)行管網(wǎng)安定性分析，并據(jù)此進(jìn)行大管徑、高溫水一次網(wǎng)的無補償直埋敷設(shè)是可以的，但是無論是管網(wǎng)的應(yīng)力水平，還是熱伸長量都較常規(guī)基于彈性理論計算的有補償管網(wǎng)的相應(yīng)參數(shù)要高許多，有的可以達(dá)4倍之多，因此，采用此種方法進(jìn)行無補償設(shè)計時應(yīng)特別注意管網(wǎng)應(yīng)力集中部位的強度驗算。2)對于大口徑高溫水一次管網(wǎng)，為了抵償無補償設(shè)計的較大變形，均需考慮采用預(yù)應(yīng)力安裝的形式，并在分支、變徑等處局部采用補償器和固定墩，配合管件的機(jī)械補強措施，保證整個管網(wǎng)的穩(wěn)定性。簡便的做法是三通閥門等可以比管道提高一個承壓等級。

[1] 郭文偉.熱水網(wǎng)路水力工況的計算[J].山西建筑，2008，34(5):218-219.