直埋供熱管網工程設計兩種計算方法對比分析

趙曉剛

1 問題的提出

近年來，隨著我國城市化進程的加快，城市規模不斷擴大，作為城市基礎設施的集中供熱工程，也逐漸從鍋爐房集中供熱向熱電廠區域供熱形式轉變，由此帶來一次網規模不斷擴大，主干線管徑也從最初的DN450～DN500增長到了DN800～DN1 000，甚至達到DN1 200。與此同時，供熱管網的敷設方式也從架空、地溝方式逐漸轉向預制直埋敷設。直埋供熱管道分為無補償直埋敷設和有補償直埋敷設。無補償直埋敷設又可分為冷安裝無補償、預應力無補償。預應力無補償又分為機械拉伸、敞槽預熱、一次補償等多種形式。預熱方式又分為熱水、熱風和電熱等。

在直埋供熱管網設計過程中，選擇有補償還是無補償是經常被討論的事情。如何確定和取舍對整個工程的經濟性影響較大。

目前，國內設計單位有兩種意見，一種是基于彈性理論分析，不認可管網可以發生任何塑性變形，并基于此進行直管段的補償計算;另一種是歐洲20世紀70年代出現的基于彈塑性理論分析，允許管網發生有限塑性變形，按應力分類進行安定性條件判定，并基于此進行補償計算。

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，均不允許出現錨固段，也即要求管網設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，不允許出現錨固段，這對于一般的供熱管網來說已經足夠。也就是說，按照彈塑性分析方法，進行供熱系統設計，可以按無補償設計(一般一次網供水溫度130℃以下，二次網則更低)。

2 直埋管的應力驗算

2.1 穩定性分析

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

2)局部穩定性分析:公稱直徑不大于DN800、工作溫差小于85℃時，不會出現局部失穩;當供水溫度大于130℃、公稱直徑大于DN800時，采用標準壁厚的鋼管，在錨固段可能會出現局部皺結。

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，根據應變大小可分為不發生任何塑性變形(Δε≤2εs，|ε|＜εs，安定狀態)、發生有限塑性變形(Δε≤2εs，|ε|＞εs，安定狀態)、發生循環塑性變形(Δ ε＞2εs，不安定狀態)。

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

3 直埋管網設計原則

1)關于過渡段長度計算。當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的條件:根據彈性理論分析(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行無補償直埋敷設，管道在彈性狀態下運行。換言之，當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存在錨固段時駐點處軸向應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。供熱管網安裝溫度按10℃計算，設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，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。

基于彈塑性理論分析，與彈性理論類似，當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;當安裝溫差大于屈服溫差且小于彈性溫差時，管道允許進入屈服階段，伸長量計算還需知道過渡段長度。

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

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

3)關于冷安裝和預熱安裝。從應力變化范圍分析，冷安裝與預熱安裝是相同的，但是預熱安裝的應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熱安裝的兩倍。預熱安裝又可分為整體預熱、分段預熱和一次補償三種形式，其中一次補償為回填預熱。由于管道熱應力變化與管道整體焊接溫度無關，對于直管段、變徑、三通、彎頭等局部管件的強度驗算，冷安裝與預應力安裝均具有相同的強度狀態;然而，由于預應力安裝管道整體焊接溫度提高，使溫升降低，這樣，預應力安裝比冷安裝管道軸向內力、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定性將有所提高。

4 兩種設計方法對比

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

表1 彈性分析法計算結果統計表

表2 彈塑性分析法計算結果統計表

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

5 結語

1)基于彈塑性理論，采用應力分類法進行管網安定性分析，并據此進行大管徑、高溫水一次網的無補償直埋敷設是可以的，但是無論是管網的應力水平，還是熱伸長量都較常規基于彈性理論計算的有補償管網的相應參數要高許多，有的可以達4倍之多，因此，采用此種方法進行無補償設計時應特別注意管網應力集中部位的強度驗算。2)對于大口徑高溫水一次管網，為了抵償無補償設計的較大變形，均需考慮采用預應力安裝的形式，并在分支、變徑等處局部采用補償器和固定墩，配合管件的機械補強措施，保證整個管網的穩定性。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.熱水網路水力工況的計算[J].山西建筑，2008，34(5):218-219.