论直埋供热管道中的设计与施工

摘要：直埋热水供热管道弹性敷设使供热管道按更自然的方式沿街道或地形进行敷设，该种敷设方式利用管道自身的弹性变形实现管道的弯转，减少了人为设置的补偿器、补偿弯管和固定墩，是最简单、最经济的直埋管道安装方式之一。

关键词：直埋供热管道；设计；施工

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

1引言

直埋敷设技术随着我国国民经济的发展，人民生活水平不断提高，人们对环境和城市景观要求也越来越高的情况下，不占地上空间，架空需要热补偿，一处补偿就是4个90度弯头，加上管架，总体费用很高，较架空对流换热厉害热损失大相比，埋地管道受温度变化相对较小，减少了运行费用。直埋即使在城市规划区也不影响美观，因此埋地的美观性和实用性都较架空要好。已开始在城市热网中取代传统的管道架空敷设方式。

2直埋供热管道的作用及应力特点

所有使管道产生内力及应力的因素都称为作用(又称荷载)。不同类型的作用，使管道产生不同性质的应力，进一步可能导致不同方式的破坏。温度和压力是热力管道上最主要的两种作用。对于直埋管道，还有轴向位移产生的土壤轴向摩擦力和侧向位移产生的土壤侧向压缩反力。另外，在管道局部结构不连续处会产生应力集中，对应的应力称为峰值应力。峰值应力不会引起显著的变形．但循环变化的峰值应力，也会造成钢管内部结构的损伤，导致管道疲劳破坏。管道在弯头、三通处产生的应力属于峰值应力。由于土壤的均匀支撑，管道的自重没有产生自重弯曲应力，故一般忽略不计。但是对于热网中常用的管道，其公称壁厚要远远大于该压力所需的设计壁厚，内压产生的实际应力也就远远小于管材的屈服应力。相反，由于管道中热胀变形不能完全释放，使管道产生了较大的轴向压力和压应力，其中轴向压应力可能与屈服应力处于同一数量级上。因此，在直埋敷设热力管道中，内压的影响较小，管道产生爆裂的可能性很小，而温度的影响则较大，管道强度设计中应主要考虑温度变化产生的循环塑性变形和疲劳破坏。

3防止直管破坏的设计方法

3.1三通加固，直埋管道的三通受力状况与地沟敷设有明显的不同。地沟敷设时三通所受的荷载主要是内压荷载，而直埋敷设时三通除承受内压荷载外，还承受极大的轴向压缩荷载。因此，当三通支管直径较大时必须进行加固。

3.2从增强三通开孔区轴向刚度着手。因为直埋管道的三通强度削弱主要表现在母管开孔区轴向压缩刚度急剧下降，所以应沿母管轴向方向加刚性支撑板。支撑板可以夹在支管内，也可加在母管外侧。

3.3为了提高三通对局部应力集中的适应能力，三通的壁厚一般比支管增加50%。加固后的三通与直管基本可做到等强度。

3.4固定墩，埋地管道固定墩的推力一般都比较大，为了提高固定墩的承载能力，一般将固定墩设计成倒“T”形或板凳形。在此种钢筋混凝土固定墩中管子从上部立板处穿过，用管道上焊接卡板固定。

3.5防止循环塑性破坏，管道温度在管道工作循环最高温度与最低温度问变化时，所产生的应力变化是循环塑性破坏的起因。无论是锚固状态的管道，还是滑动状态的管道，应力变化都与安装温度无关，故预应力安装不解决冷安装的循环塑性破坏的问题。当锚固状态的直管段满足不产生循环塑性破坏的安定性条件时，锚固状态的管道允许存在，该直管段可以采用无补偿安装方式，当然包括了无补偿冷安装方式。否则，应在该直管段设置补偿装置，并通过调整补偿装置间距，控制管段上的应力变化，使之不产生循环塑性破坏，这时，该直管段就变成有补偿安装方式。

3.6防止整体失稳破坏，在进行直埋供热管道设计时，除考虑循环塑性破坏外，还要考虑稳定性问题。管道温度从安装温度升高到管道工作循环最高温度时，所产生的升温轴向压力是整体失稳破坏的起因。在冷安装条件下，锚固的直管段满足稳定性条件时，该直管段可采用无补偿冷安装方式。一般地讲，供水温度不高于130℃、管径不大于DN500的热网，采用无补偿冷安装方式都能保证不出现循环塑性破坏；当埋深在1米以下时，还能保证不出现整体失稳。由于一般的热网都可满足上述条件，故从直管段强度的角度，采用无补偿冷安装方式是没有问题的。但是，从保护三通、弯头、折角、大小头和阀门等薄弱部件以及减小固定墩推力的角度，有时在局部管段还要采用设置补偿装置的有补偿安装方式。至于预应力安装方式，由于只能解决稳定性的问题，而通过增加覆土深度或设置补偿装置解决稳定性问题，通常会更经济一些，故预应力安装方式的使用变得越来越少 。

4直埋供热管道的安装方法

4.1直埋供热管道的安装方式 直埋管道中的应力是热胀变形不能完全释放而产生的。因此。通过选择不同的安装方式，可以改变热胀变形的大小和变形的释放程度，进而改变管道的应力水平。。热胀变形的大小与零应力状态对应的温度有关，零应力状态温度的提高，可降低热胀变形的大小。根据此温度是否等于安装时的环境温度，管道可分为两种。冷安装：零应力状态对应的温度等于安装时的环境温度。预应力安装：零应力状态对应的温度等于预热温度。由于埋地管道管壁内的轴向温度要比地沟敷设时大数倍至十几倍。设置在管路中的阀门，如果设计布置不当，就有可能在升温时由于管壁挤压或降温时受垃而遭受破坏。因此，设计时要防止阀门直接承受管壁传来的轴向力荷载。一般可采用补偿器将阀门与管道隔开，起到卸载的目的。根据热胀变形能否释放，管道又可分为两种。无补偿安装：两固定墩之间或远离补偿装置而处于锚固状态的管道(锚固段)，其热胀变形不能被补偿装置所吸收。有补偿安装：补偿装置附近处于滑动状态的管道(滑动段)，其热胀变形能被补偿装置所吸收。

4.2无补偿冷安装 管道回填时，既不进行预应力，也不进行补偿，温度变化时管段处于不动的锚固状态。无补偿冷安装是最简单和最经济的安装方式，但运行工况下管道承受较高应力。在满足强度条件时，管段应优先采用这种安装方式。

4.3有补偿安装 当管段中设置补偿装置(弯管补偿器或波纹管补偿器)时，补偿装置附近处于滑动状态的管段属于有补偿安装。由于设置弯管补偿器或波纹管补偿器，必然增加了补偿装置的投资，对于波纹管补偿器，还增加了管网的事故点。因此，应避免在整个管网中都采用有补偿安装方式，但在管网设计中，局部管段采用这种安装方式还是比较安全经济的。

5直埋供热管道的布置和敷设

供热管道直埋敷设方式分为有补偿直埋敷设及无补偿直埋敷设两种方式。有补偿直埋敷设方式主要解决管道膨胀位移在运行时能够实现；无补偿直埋敷设方式则是通过验效管道强度和稳定性，保证管道运行过程中安全、可靠。”1其中，无补偿直埋方式具有节约工程造价和缩短工期的优越性，目前在我国多数各大城市的集中供热网设计中得以广泛应用。在施工过程中，往往要采用一种方式把直埋的管道进行加热并达到一个预订的温度（预热温度），之后设法固定管道或者粘接管道，目的在于增强管道的对温度的适应性从而提高其稳定性能。如果在直埋管道过程中不注意预热问题，容易导致管道失衡，因此是一定应该充分重视的。尤其是对于大口径、高温、高压直埋管道的安装，预热时在低温环境中容易导致管道发生撕裂事故。根据多年直埋管道的经验，施工者应充分考虑管道承压能力、径向稳定性、局部屈曲、管道拉伸断裂等条件，并考察直埋施工过程中可能产生的应力、管材特性及其缺陷的影响，计算确定最小壁厚以及对应这一壁厚的预热温度范围，这样就可以把预热温度控制在合理的范围内进行预热安装，以保证供热管道的安全性，同时又能达到节约原材料和降低能耗的效果。

参考文献：

[1]《动力管道设计手册》编写组 《动力管道设计手册》 北京 机械工业出版社 2006

[2]高等学校专修科试用教材 《材料力学》 北京 中国铁道出版社 1994