直埋供熱管道敷設的應力計算與設計

郭震環

(太原市熱力公司，山西太原 030012)

0 引言

隨著城市集中供熱規模的不斷擴大，供熱直埋管道管徑已發展到DN1 400。然而現行《城鎮直埋供熱管道工程設計技術規程》限定在DN500及其以下［1］。為使相關技術人員增加對大口徑直埋管道相關技術的認識，提高設計水平、增加大口徑供熱直埋管道工程設計的安全性和可靠性，節約工程投資［2，3］。文中介紹了大口徑、高溫、高壓供熱直埋管道應力分析和應力計算方法及管道失效方式，為供熱直埋供熱管道的設計、施工和管理提供了依據。

1 直埋供熱管道的應力分析

1.1 應力計算

EN 13941中在進行單長摩擦力計算時，考慮管道自重引起的管道與土壤之間的摩擦力，其計算如下［3］:

其中，F為軸線方向每1 m管道的摩擦力，N/m;μ為外管殼與土壤的摩擦系數;ρ為土壤密度，一般砂土取1 800 kg/m3;g為重力加速度，m/s2;h為管頂覆土深度，m;Dw為預制保溫管外殼的外徑，m;G為每1 m預制保溫管的滿水重量，N/m。

直埋保溫管鋼管管徑為1 000，預制保溫管外殼直徑1 155 mm，管頂平均埋深1.2 m，最小摩擦系數0.2。最小單位長度摩擦力為25 487 N/m。

1.2 應力校核

由于直埋管道的一次加二次應力的當量應力最大值是出現在錨固段管道，應力驗算主要對象是錨固段，因此該段內管道的參數應滿足下列公式［2，3］:

則認為管道的參數的選取是合適的。

其中，γ為鋼材的泊松系數，取0.3;t2為管道工作循環最低溫度(半年運行取10℃，全年運行取30℃);t1為管道工作循環最高溫度，130℃;E為鋼材的彈性模量，取19.6×104MPa;α為線性膨脹系數，取11.74×10－6m/(m·℃);σt為管道內壓引起的環向應力，MPa。

其中，Pd為管道計算壓力，MPa;Di為鋼管內徑，m;δ為鋼管公稱壁厚，m。

2 直埋供熱管道的失效方法

2.1 管道豎向穩定性驗算

直埋直管段上的垂直荷載應符合下列表達式:

其中，Q為作用在單位長度管道上的垂直分布荷載，N/m;γs為安全系數，取1.1;Np·max為管道的最大軸向力，N;fo為初始撓度，m。

初始撓度應按式(4)計算:

當 fo＜0.01 m 時，fo取0.01 m。

垂直荷載應按式(5)計算:

其中，GW為每米長度管道上方的土層重量，N/m;G為包括介質在內保溫管單位長度自重，N/m;SF為每米長管道上方土體的剪切力，N/m;K0為土壤靜壓力系數;φ為土壤的內摩擦角，(°)，砂子取30°。

埋地管道中介質溫度升高時，管道中產生軸向壓力。存在軸向壓力的管道有向軸向法線方向凸出使管道彎曲的傾向。由于管道周圍土壤在徑向和軸向對管道有約束，正常狀態下埋地管道在地下保持穩定。當周圍土壤的約束力較小或因周圍開挖而減小，受壓管道會在橫向約束最弱的區域喪失穩定。管道在軸向朝失穩區域推進，并在水平方向或垂直方向推開土壤形成彎曲的凸出管段。豎向失穩可能由于設計考慮不周引起，水平失穩多為埋地供熱管道投產后由于其他管線施工引起。

2.2 局部穩定性

原規程適用管徑較小，常用管道規格的截面剛度較大，局部屈曲的危險較小，所以原規程未要求對截面剛度和局部穩定性進行驗算。本次針對大管徑管道專門進行了研究，用國內已實際運行多年的管道工程與歐洲供熱管道標準對比，如按歐洲供熱管道標準計算，大管徑管道壁厚要比實際工程使用的壁厚大很多。

歐洲規范EN 13941對于直埋管道徑厚比的規定式。我國JB 4732-1995鋼制壓力容器—分析設計標準提出的臨界屈曲應力計算公式為:

其中前兩個公式經過實驗對比，計算值偏于保守。對于幾個公式的運算結果比較，JB 4732-1995計算的徑厚比較前兩個公式的計算結果要保守，但是EN 13941更保守，計算的管壁厚度太大。所以本規程規定采用JB 4732-1995的公式作為臨界屈曲應力計算公式。

公式計算壁厚沒有考慮環境和焊工技術的影響。長距離管道焊接環境復雜，比鋼制壓力容器要惡劣;管道焊口邊緣晶體結構發生變化，許用應力會因焊工技術而下降，幅度在10%～25%。

2.3 徑向穩定性

管道應按下列公式進行徑向穩定性驗算:

其中，ΔX為鋼管徑向最大變形量，m;W為管頂單位面積上總垂直荷載，kPa;r為工作管平均半徑，m。

理論研究表明，直埋敷設的柔性管道能夠利用其周圍土壤的承載能力，當管道橢圓變形達到鋼管外直徑的20%時，才發生整體結構破壞。但試驗證明，橢圓變形達到鋼管外直徑的5%時，管壁便開始出現屈服。GB 50253-2003輸油管道工程設計規范，GB 50251-200輸氣管道工程設計規范都規定管道的橢圓變形量應小于鋼管外徑的3%，橢圓變形量采用依阿華公式計算。

3 結語

大口徑、高溫、高壓供熱直埋管道的應力計算及管道失效方式已經與小口徑管道有很大區別，大口徑管道本身重力對摩擦力的影響已經不能忽略，隨著徑厚比的增加管件的疲勞失效、管道的橢圓化和局部失穩的可能性增大。在管道設計中要選擇合適的直埋敷設方式，在經濟合理的基礎上，把管道的危險性降到最低。

［1］CJJ-T81-98，城鎮直埋供熱管道工程技術規程［S］.

［2］王 飛，張建偉.直埋供熱管道工程設計［M］.北京:中國建筑工業出版社，2007:92-97

［3］EN 13941∶2009，Design and installation of preinsulated bonded pipe systems for district heating［S］.

［4］GB 50253-2003，輸油管道工程設計規范［S］.