大管徑直埋供熱管道設計方法研究

崔云飛

（晉城市熱力有限公司，山西 晉城 048000）

1 對大管徑直埋供熱管道應力與穩定性進行分析

由于供熱管道需要直埋地下與土壤充分接觸，所以在進行直埋前要做好管道應力分析。就土壤類型來說，黏土、沙土等對管道的摩擦和容重程度不同，這些因素直接導致管道所受到的垂直土壓力系數不同。例如：具有流動性的黏土容重為每立方米16.5～17.5KN，與供熱管道的內摩擦角約為12 度，具有硬性的黏土每立方米容重為18～20KN；疏松的細沙每立方米容重15～16KN，與供熱管道的內摩擦角為37 度，密實的細沙容重為每立方米17.5～19KN，與供熱管道的內摩擦角為33 度；中等密實的中砂容重為每立方米17～18KN，與供熱管道的內摩擦角為33 度，密實的中砂容重為每立方米17～19.5KN，與供熱管道內摩擦角為34度。在計算完土壤對供熱管道的受力影響后，在直埋時也要堅持兩個規律，第一就是要明確大管徑供熱管道的管底承受的土壤壓力是最大的，其次是管頂，最后是管道兩側承受的土壤壓力最小。第二就是要明確鎮砂具有均勻壓實的作用，要確保大口徑供熱管道周圍的壓力均勻。除了受到外部土壤的壓力外，在進行大管徑供熱管道直埋時還會受到管道內部荷載的影響。供熱管道通常由三層材料組合而成，大管徑的徑向應力大部分為壓應力，三層的大管徑供熱管道所承受的徑向壓力最大，最外部的護管承受的壓應力與之相比要小很多，承受壓應力最小的就是管道的保溫層。但是在供熱管道的鋼管組成部分承受的壓應力就會與之相反。根據規程相關理論，供熱管道的壓應力應當符合 бj= （1-v） бt-αE （t2-t1） ≤3 [б]的要求。其中 бj 為熱脹應力和內壓的當量應力變化范圍， [σ]為所選用的鋼材在計算溫度下的壓應力，V 為所選剛才的泊松系數，α 所選用鋼材的線膨脹系數，E 為所選用鋼材的彈性模量，t1、t2 分別為管道工作循環時的最高溫度和最低溫度。除此之外，還要對大管徑供熱管道的直管段進行應力計算，局部的彎曲和截面橢圓化變形也是影響穩定的重要因素。

2 對大管徑供熱管道的壁厚與埋深計算進行分析

為了防止管道在直埋時發生形變，在進行鋪設前有必要對其壁厚進行計算。在綜合考慮應力、穩定性、內部壓應力等因素的基礎上要根據公式進行計算，在計算過程中要保證管道壁厚偏差率與壁厚之間成反比，例如：當管道壁厚偏差為0%時，理論壁厚為0.05 米；當偏差為-5%時，理論壁厚為0.105 米；當壁厚偏差為-8%時，理論壁厚為0.141 米；當壁厚偏差為-9%時，理論偏差為0.154 米；當壁厚偏差為-11%時，理論壁厚為0.18 米；當壁厚偏差為-12.5%時，理論壁厚為0.200 米。除了進行壁厚預算之外，對直埋的深度還要進行預算，因為直埋深度影響著管道的縱向失穩程度。直埋大管徑供熱時管道的溫度會升高，而管道溫度一旦升高就會使管道產生熱仲長，熱仲長增加，管道在地下受到的土壤摩擦力就會加大，管徑軸向壓應力也會增大。在管徑軸心壓應力的作用下，供熱管道就會出現縱向失穩。

3 采用有補償鋪設與無補償鋪設相結合的方法

大管徑的供熱管道在進行埋設時由于自身直徑限制更易出現縱向失穩問題，所以在實際的工程建設時施工人員可以采取一些增加大管徑供熱管道內部縱向穩定性的有效措施預防問題的出現。例如：在進行直埋時采用有補償鋪設方法和無補償鋪設相結合的方法開展工作，在管道的彎頭、三通處設置相應的固定墩子，每一個彎頭和三通處都安置一個固定墩，在彎頭較集中的地方可以適當增加2～3 個固定墩。固定墩產生的雙管推力可以通過具體的公式進行計算，即N=（αE▲T-vб+0.5б） A，其中 б 為管道環向應力，A 為管道的截面積，v 為泊松系數，α 為管線的熱膨脹系數，E 為管道的彈性模量，▲T 為工作溫度與安裝溫度的溫差。例如：不同管井內使用的固定墩推力不同，使用的修正推力方案也不同，當推力為130T 時，要保證安置的固定墩與彎頭的距離保持在20 米內，這樣固定墩的推力才能修正在10T；當推力為50T 時，要保證安置的固定墩與彎頭的距離為15 米，這樣固定墩的推力才能修正在20T。有補償直埋要依靠彈性的鋪設方法縮小大管徑直鋪供熱管道的坡度變化范圍，在城市地下障礙物較多、各種管道網絡錯綜復雜的情況下，能夠通過預算深埋與分段鋪設的方法保障鋪設工作的順利開展。

4 結語

大管徑直埋鋪設供熱管道在國內使用時間較長，施工技術也漸趨成熟，但是面對地下錯綜復雜的管道網絡以及各地區復雜的地形環境，在進行鋪設前相關人員還是應該做好地形勘察、管道承受應力、管道自身穩定性等方面的工作，通過科學的計算原理對大管徑直埋供熱管道的壁厚與埋深進行預測，降低直埋過程中的風險系數，保證施工質量，加快鋪設效率。本文僅僅在理論層面進行分析論述，在具體的施工過程中還需要技術人員結合實際情況進行優化處理。