直埋熱水供熱管道敷設(shè)方式比較

【摘要】伴隨著我國工業(yè)化的進程和城市化腳步的加快，城市建筑面積和規(guī)模不斷地擴張和延伸，供熱面積加大、供熱管道直埋敷設(shè)長度與管徑都在隨之增大，其為城市提供集中性供熱的功能成為了行業(yè)主流，在對供熱管道的安全和運行經(jīng)濟成本測算的環(huán)境下，直埋敷設(shè)管道的方式成為了目前供熱行業(yè)研究的熱點課題。本文通過對直埋熱水供熱管道的受力進行系統(tǒng)的分析，以各應(yīng)力參數(shù)為指標(biāo)，比較不同供熱管道的敷設(shè)優(yōu)劣勢，從而對城市供熱系統(tǒng)提供指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】直埋供熱管道；敷設(shè)

城市化建設(shè)的公共服務(wù)設(shè)施領(lǐng)域里，供熱系統(tǒng)的建設(shè)與設(shè)計需要不斷地提升其性能，以保證人們生活的需求，現(xiàn)代集中供熱系統(tǒng)正在應(yīng)時代的需求快速地發(fā)展，為了保證大面積擴張的供熱管道及時、安全地為人們提供服務(wù)，環(huán)保節(jié)能、安全衛(wèi)生的供熱管道系統(tǒng)以更優(yōu)越的性能、更經(jīng)濟的方式實現(xiàn)其價值。在供熱管道直埋的敷設(shè)技術(shù)中，重點突出投資成本的節(jié)約以及運行的安全可靠性能。本文對城市供熱管道的敷設(shè)技術(shù)進行不同方式的闡述，針對直埋管道失效的方式，進行對照比較，以供同行借鑒。

直埋熱水供熱管道技術(shù)是利用機械物理原理，通過直接埋入地層的保溫管道自身的強度，承載供熱系統(tǒng)的熱應(yīng)力。這種技術(shù)可以替代原有的分散的小型燃煤鍋爐房，改變原有的供熱效果差、污染排放嚴(yán)重、熱效率低的狀況，在實踐的過程中，通過直埋供熱管道的不同敷設(shè)方式，實行集中供熱。

一、直埋供熱管道破壞而失效的方式分析。

供熱管道的設(shè)計壓力有其規(guī)定的壓力標(biāo)準(zhǔn)，由于供熱狀態(tài)時溫度的上升，致使供熱管道要承受強大的溫度應(yīng)力，在溫度應(yīng)力的作用下，供熱管道會產(chǎn)生附加的軸向應(yīng)力，這兩種作用力同時作用于直埋供熱管道，使管道在無法承受的不同狀態(tài)下，會發(fā)生直埋供熱管道的破壞而失效，它主要表現(xiàn)為兩個方面，即：強度破壞和喪失穩(wěn)定破壞。

1、強度破壞。

1.1、循環(huán)塑性變形破壞。這種變形破壞是由供熱管道內(nèi)部溫度的水溫變化而變化的，在差異較大的溫度變化之下，供熱管道會發(fā)生熱脹冷縮的物理變化，使供熱管道內(nèi)壁出現(xiàn)軸向壓縮和軸向拉伸的不同變形，這種由溫度應(yīng)力而導(dǎo)致的軸向應(yīng)力，是對供熱管道造成變形損壞的重要原因。

1.2、低循環(huán)疲勞破壞。這種形式的破壞主要由于供熱管道的地層敷設(shè)長度和管網(wǎng)路徑所決定的，因為地形復(fù)雜以及長度的需求，供熱管道要連接各種必需的三通、大小頭以及彎頭等，繁復(fù)的連接零件無法適應(yīng)供熱過程中溫度的巨大溫差變化，在溫度達到一定的峰值時，這些構(gòu)件就要承受巨大的應(yīng)力，產(chǎn)生疲勞性破損。

1.3、高循環(huán)疲勞破壞。由于供熱管道直埋于地下，其頂層的土壤會由于承載過多的車輛負(fù)荷，而壓迫供熱管道，集中的應(yīng)力使直埋供熱管道發(fā)生變形和損毀。

2、喪失穩(wěn)定破壞。

2.1、局部失穩(wěn)。供熱管道局部構(gòu)造是一種薄壁貝殼構(gòu)造，因為其承受的軸向壓應(yīng)力，而可以出現(xiàn)局部失穩(wěn)的狀態(tài)，使供熱管道被破壞。同時，這種局部失穩(wěn)狀態(tài)也與供熱管道的厚度和管徑有直接的關(guān)聯(lián)，其局部失穩(wěn)狀態(tài)與管壁厚度成反比，而與管徑成正比。

2.2、整體失穩(wěn)破壞。直埋供熱管道在溫度變化差異下，產(chǎn)生溫度壓力和軸向壓力，在供熱過程中呈現(xiàn)最大的壓力狀態(tài)，而會使直埋供熱管道產(chǎn)生壓桿效應(yīng)，導(dǎo)致整體失穩(wěn)。

二、直埋熱水供熱管道的敷設(shè)方式對比性探討。直埋熱水供熱管道的敷設(shè)方式主要分為兩種，即無補償?shù)闹甭癜惭b的敷設(shè)方式和有補償安裝的敷設(shè)方式。

1、無補償冷安裝的敷設(shè)方式。

這種敷設(shè)方式是指供熱管道在整體進行焊接時，其焊接溫度和回填溫度是相一致的，即兩者都在常溫下進行操作，簡便易行而經(jīng)濟，直埋供熱管道在敷設(shè)之前不加預(yù)應(yīng)力，也沒有補償器，它應(yīng)用分類法和安定性分析方法，對應(yīng)力進行分類：首先，是一次應(yīng)力，即供熱管道的供熱運行過程中而產(chǎn)生的軸向應(yīng)力；其次，是二次應(yīng)力，即熱脹冷縮物理作用之下而在供熱管道中產(chǎn)生的軸向壓縮和拉伸的應(yīng)力；最后，是三次應(yīng)力，即在前兩種壓應(yīng)力的作用之后，由供熱管道的構(gòu)件開口連接處而釋放出的壓應(yīng)力。在這三種強度理論之下，考慮各種載荷條件，采用不同的直埋供熱管道強度驗算，可以采用直埋供熱管道的無補償冷安裝方式。

這種敷設(shè)方式由于在冷態(tài)的溫度環(huán)境下供熱管道處于零應(yīng)力狀態(tài)，盡管運行狀態(tài)時會產(chǎn)生一定的溫差，但是其應(yīng)力可以控制在允許范圍值之內(nèi)，充分發(fā)揮出直埋供熱管道的材料性能和承載能力。

2、采取補償器、補償彎和“固定墩”聯(lián)用的直埋供熱管道的敷設(shè)方式。

由于受實際工程場地的限制，直埋供熱管道都需要用補償器實施補償，同時為了保護補償器遭受不均勻變形而損壞，還要同時配備固定墩，以保護應(yīng)力集中的彎頭、三通等構(gòu)件部位。

這種敷設(shè)方式使直埋供熱管道的熱應(yīng)力提前得到了釋放，降低了熱應(yīng)力水平，減小了直埋供熱管道的局部失穩(wěn)可能性和局部屈服的危險。在下述的圖形顯示下，可以看到，由于固定墩和補償器的聯(lián)用，使直埋供熱管道處于完全滑動的狀態(tài)，這種狀況之下，供熱管道在運行過程中受到的熱應(yīng)力已經(jīng)降至了最低，其受力情況如下圖所示：

3、預(yù)熱安裝的敷設(shè)方式。

3.1、“敞溝預(yù)熱”安裝方式。“敞溝預(yù)熱”安裝方式分為兩種，即：整體和分段預(yù)熱。其中：整體預(yù)熱是盡量減少直埋供熱管道的折角處，而采用彎曲度自然的構(gòu)件，并且考慮在管道較長時可以設(shè)少量的一次性補償器；分段預(yù)熱是沒有達到整體預(yù)熱條件下而采取的措施，是對某一段供熱管道進行預(yù)熱溫度保持下的敷設(shè)。這種方式只有少量的補償器鋪設(shè)，因而可以節(jié)省工程造價。它可以分為設(shè)置固定點和不設(shè)固定點兩種方式。“敞溝預(yù)熱”溫度用公式：t=（t1+t2）/2計算，“敞溝預(yù)熱”管道伸長量用公式：△L=L（t1-t2）×1000計算。

3.2、一次性補償器預(yù)熱安裝方式。在這種安裝方式中的一次性補償器的選用，要具備一定的條件，即：設(shè)計壓力等級、設(shè)計供水溫度以及伸長量。在滿足這三個條件之下，要進行一次性補償器間距的計算。這種方式通過設(shè)置固定支架和一次性補償器，來吸收供熱管道在運行過程中產(chǎn)生的熱伸長。其覆土預(yù)熱溫度的計算公式為：T=（T1+T2）/2+FtLt/（EA×106），其供熱管道受力的計算公式為：

預(yù)熱安裝的敷設(shè)方式與冷安裝的敷設(shè)方式相比，其供熱管道的應(yīng)力都下降了一半，從而，大大減少了施工難度。

三、結(jié)束語。

綜上所述，直埋熱水供熱管道的不同敷設(shè)方式在其管道溫度應(yīng)力和軸向應(yīng)力的分析與計算下，各有其優(yōu)缺點，可以考慮冷安裝條件下的無補償冷安裝敷設(shè)方式，而對于較大管徑、溫差較大的管道用熱安裝的敷設(shè)方式。這些不同的敷設(shè)方式都是城市供熱系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，在未來的城市集中供熱方面，其節(jié)能減排的優(yōu)勢效應(yīng)發(fā)揮著十分重要的作用和意義。

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