采暖管道直埋敷設技術現狀問題探討達的變化及其意義

夏云龍(伊春市教師進修學院 黑龍江 伊春 153000)

采暖管道直埋敷設技術現狀問題探討達的變化及其意義

夏云龍
(伊春市教師進修學院 黑龍江 伊春 153000)

直埋敷設方式越來越廣泛地應用于采暖管道的敷設中。直埋敷設技術的不斷積累與發展，供熱區域的不斷擴大，對直埋管道的受力設計、施工都提出新高度的要求。本文從實踐經驗和理論自學出發，側重采暖管道直埋敷設的實際工程特點，對受力設計方法、安裝方式的采選和管道失效方式的規避等三方面做以分析，并總結了相應對策，以期加快直埋敷設技術的發展，取得社會效益。

采暖管道直埋敷設;受力設計;安裝方式;失效方式

1.管道直埋敷設技術現狀

采暖管道敷設方法一般有三：地上敷設、管溝敷設和直埋敷設。比較而言，直埋敷設更具優勢：占地少、施工時間短、維護量少、成本低、壽命長等。已成為我國管道敷設中最常用的敷設方式。

目前，業界對直埋管道受力設計的原則雖不一致，但大都避免有補償安裝，而只在局部薄弱部件處進行補償保護。主要按《規程》中的方法來進行直埋管道的受力計算。《規程》為直埋敷設管道的受力設計統一了標準，使國內的直埋敷設管道受力設計規范化，對直埋敷設的一些設計參數進行了限制，明確指出，《規程》適用于供熱介質溫度小于或等于150℃，公稱直徑小于或等于500mm的鋼質內管、保溫層、保護外殼結合為一體的預制保溫直埋熱水管道。一些廠家的設計手冊也給出了直埋敷設管道的受力設計方法。

近年，直埋敷設熱水管道多需大直徑、高壓力管道，原適用的小直徑管道設計方法和公式亟需改進。同時，直埋敷設技術發展，大直徑管道的無補償安裝、薄弱部件加強等技術的應用日趨廣泛。

2.直埋敷設中存在的問題與對策

2.1 直埋管道受力設計方法與適用范圍

問題包括：

《規程》中給出的直埋管道受力設計方法適用于供熱介質溫度不大于150℃，公稱直徑不大于DN500mm的一體型預制保溫管。而現在的管道規格已經達到公稱直徑DN1000mm；管道的工作壓力也很高，一些工程已經使用了工作壓力2.5MPa的管道的無補償冷安裝直埋敷設。

《規程》和廠家設計手冊中給出的公式和圖表，多是對較低工作壓力、較小直徑管道的簡化結果，對于大直徑、較高工作壓力的管道的受力設計還有待商榷。

《規程》對于固定墩推力的計算，是基于粉質粘土或砂質粉土的情況，并按照一定的摩擦力下降規律給出的。沒有考慮土壤特性及摩擦力的不同情況。

解決對策是，以現有的管道受力設計方法為基礎，深入分析其公式、原理，重點考慮大直徑管道的設計要點。

例如：在進行地下直埋管道受力設計中，《規程》給出的單位管長摩擦力的計算公式為：

F＝πρgμ(H+Dk/2)Dk

式中 F—軸線方向每米管道的摩擦力，N；

μ—土壤與管道之間的摩擦系數；

H—管頂覆土深度；當H≥1.5m時，H取1.5m；

Dk—預制保溫管外殼的外徑，m。

大直徑管道的自重對摩擦力的影響較大，建議在計算單位管長摩擦力時考慮自重的影響：

F＝πρgμ(H+Dk/2)Dk+μG

式中 G—單位管重（包括流動介質），N。

如果進行直埋管道的受力設計時不區分管道直徑的大小，其計算結果可能不合理，容易造成工程隱患。

2.2 直埋敷設安裝方式的適用條件

直埋敷設安裝方式：按照管段是否有補償，分為無補償安裝和有補償安裝；按照是否進行預應力，分為冷安裝和預應力安裝。對直埋敷設的安裝方式雖有詳盡的分析，但在實際的工程中的選擇還有些混亂。安裝方式的不合理易引起能源、管材的浪費，以及管路系統的潛在危險。

解決對策是，必須明確，不同的安裝方式對應著其所能解決的不同的管道失效方式，不同的失效方式所關注的管道的特征參數不同。換言之，為解決一定的管道失效方式，應根據引起該失效方式的管道的特征參數，進行調控，而管道的特征參數的取值不同，就形成了不同的直埋敷設的安裝方式。這也是劃分不同的直埋敷設安裝方式的原則。

例如：管道的循環塑性變形破壞，是由于管道在運行最高溫度T1和最低溫度T2之間進行循環工作時，管道發生循環塑性變形而產生的一種管道失效方式。這種失效方式對應的溫度特征參數是管道工作循環最高溫度和循環最低溫度之差T1－T2。為了避免這種失效方式的產生，就應該對T1－T2進行限制，使其小于產生循環塑性變形的允許溫差。當T1－T2不能滿足要求時，就應該采用其他方法來減小管道的應力和應變，使其滿足要求，即可以對管道進行補償，使管道處于有補償狀態。從以上的分析可見，管道的有補償安裝方法可以解決管道的循環塑性變形問題，其對應的特征參數是T1－T2。而另一種直埋敷設安裝方式——預應力安裝方式是在管道運行前對管道的受力狀態進行的一種預處理，即提高管道的整體焊接溫度T0，并沒有改變管道運行的循環最高溫度T1和循環最低溫度T2，可見預應力安裝方式不能解決管道的循環塑性變形失效。

明確直埋敷設各種安裝方式的適用條件，就可以針對不同的管道情況采取相應的安裝方式，控制其對應的特征參數，保證管道安全、合理運行。

2.3 對大直徑管道失效方式的研究不足

管道所涉及的失效方式主要包括以下幾種：

無限制塑性變形：指的是管道的無限制塑性流動變形。

循環塑性變形：管道溫度在工作循環最高溫度和最低溫度之間變化時，管道的變形就相應的在最大和最小、或者壓縮塑性變形和拉伸塑性變形間循環變化，這樣就容易產生循環塑性破壞。運行壓力越高、循環溫差越大，越容易產生循環塑性變形。

低循環疲勞破壞：管道結構不連續處會產生相對于管道其他部分較大的應力，溫度的循環變化使得應力循環變化，引起管道的疲勞破壞。由于溫度的變化頻率較低，所以由溫度變化引起的疲勞破壞稱作低循環疲勞破壞。

高循環疲勞破壞：由于車輛等的通過，其作用力會使管道產生應力集中。因為車輛荷載出現的頻率較高，所以稱之為高循環疲勞破壞。對于大直徑的直埋敷設，這種變形較易發生。

管道的失穩分為整體失穩和局部失穩。管道的整體失穩分為垂直失穩水平失穩。

由于管道的升溫軸向力的壓桿效應會使管道變彎，管段中產生較大的彎矩，從而引起垂直失穩（豎向失穩）。

采暖管道投入運行后，在管線附近平行開溝時，土壤側向的支撐作用減弱，極易產生管道的整體水平失穩。

目前在設計時只驗算垂直失穩，而不驗算水平失穩，即未考慮管道運行后的失效情況。

局部失穩：管路附件和承受高軸向壓力的管道也存在著失穩的可能性，稱作局部失穩。

閥門的破壞：閥門由于受軸向應力而變形破壞或者失效，都會導致管道的失效。

從以上幾種失效方式產生的機理來看，管道中發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）對應著各自不同的失效方式。而現行的直埋管道受力設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計條件下管道應力分析的一種簡化。例如：《規程》中對于直管的受力設計只考慮了無限制塑性變形破壞、整體垂直失穩和循環塑性變形，未考慮局部失穩破壞。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破壞。

隨著直埋管道規模的不斷擴大，在實際的受力設計中，應考慮大直徑管道受力特點，根據具體的情況，選擇相應的管道失效方式進行分析和驗算，才能保證管道受力設計的合理、工程的運行安全。

3.結論

通過對以上問題的探討，希望完善現有直埋管道受力計算方法，對工程建設有經濟實用價值。

TO723

A

1009-5624（2016）06-0155-02