高温热水管道无补偿冷安装直埋敷设技术

[摘 要]本文详细介绍了高温热水管道无补偿冷安装直埋敷设技术的理论基础。通过对安定性理论的分析，阐述了直埋管道不预热无补偿敷设技术的理论依据。实践证明，这种敷设方式安全可靠，经济效益显著。

[关键词]热水管道；无补偿；冷安装；直埋敷设

中图分类号：TU995.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）02-0000-01

0 前言

热力管道直埋敷设技术是二十世纪八十年代初期从北欧引进我国的，近些年来随着集中供热事业的发展，热力管道的无补偿冷安装直埋敷设方式得到了快速的发展，热力管道无补偿冷安装直埋敷设方式具有工程造价、施工周期短、维护费用低等优点。

目前有两种验算管道强度的理论和计算方法，一种是弹性分析法，该方法基于弹性理论，应力不分类，采用极限分析；另一种安定分析法，该方法是基于安定性理论，将应力分类，考虑不同应力对管道造成的影响。无补偿冷安装直埋敷设热力管道是基于安定性理论设计，本文主要介绍其理论基础。

1 直埋管道安定性分析

图1所示为钢材的应力-应变曲线（σ-ε曲线），从其拉伸试验可以看出，钢材的应变和应力的关系分为3个阶段即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段。

弹性阶段：该阶段应力σ与应变ε成直线关系，在此阶段材料服从胡克定律，比例常数为弹性模量。a点所对应的应力是材料只有弹性变形的极限值，称为弹性极限，用〔σb〕表示。

屈服阶段：应力超过a点后，出现应力变化不大而应变明显增加的现象，这一阶段为屈服阶段，b点所对应的应力是材料屈服阶段应力的极限值，称为屈服极限，用〔σs〕表示。应力达到屈服极限后，材料将出现显著的塑性变形。

强化阶段：应力超过b点后，材料恢复抵抗变形的能力，这个阶段称为强化阶段，强化阶段的最高点所对应的应力是材料所能承受的最大应力，称为强度极限，当拉力达到强度极限，试件出现缩颈现象，随后被拉断。

通常，钢材塑性良好，钢材从屈服到断裂的塑性变形量比屈服极限对应的最大弹性变形量大10～15倍以上，故产生塑性变形并不意味着钢材破坏。因此，工程中要考虑材料的塑性，充分发挥材料的潜力，这就是安定性理论的基本思想。

安定性分析的研究对象为塑性良好的金属材料，假设其具有理想的弹塑性力学性能，材料在荷载作用下应力应变如图2所示。

OA段表示弹性阶段，AB段为理想塑性阶段。管道初次加载的应力相当于屈服极限时，管道的应变从O点拉伸到A点，ε为负值表示被压缩，由于发生塑性形变而到C点。卸载时应力将沿着与AO平行的方向上升，当压应力到达O点，即到达D点时，要使应变回到O点，须加上相反的拉应力以消除残余应变ε1-εs。在应变回到O点时，产生了残余应力到达E点，拉伸应力为σs。管道第二次加载，应变由O点至ε1，应力从E点开始沿直线EC到达C点，即残余应力先减少至O再变为压应力并增至-σs。此后相继的加载和卸载，由E点开始沿EC直线往返，它具有完全弹性性质，没有反复塑性变形，总的应力幅度即称应力范围。

从图中看到，只要初始应力不超过两倍屈服极限σs，加载和卸载始终沿EC往返，管道仍安定在弹性范围以内。也就是说，管道在一次性的有限塑性变形之后，变形稳定下来，不产生新的塑性变形，这就是管道的“安定性”。由分析可以看出，管道安定的条件是按弹性应力分析确定的计算应力小于2σs。

假设初始应力超过两倍的屈服极限，则管道加载时时由O经A到C'，卸载时将由C'经E'回到E，以后加载和卸载始终沿E-C-C'-E'-E循环，即管道在工作状态和冷态将出现反复塑性变形，以及反复塑性变形应变积累递增而使管道产生塑性疲劳破坏。

通过上面的分析可知，所谓安定性是指不发生塑性变形的连续循环，如果在少数加载之后，变形稳定下来，并且随后的管道表现是弹性的，或者管道在有限量塑性变形之后，能安定在弹性状态。

安定性分析允许钢材进入塑性变形，其的优越点在于保证管道正常、安全、可靠地工作情况下，充分挖掘了材料的自身性能，提高了设计工作的经济性。

2 应力分类法

作用在管道上的各种应力，危害程度是有很大区别的，不同应力可导致不同的失效方式，应用安定性理论，首先要对不同的应力加以区别，并给予不同的应力分析理论和许用应力值，这样才能在保证安全工作的条件下，充分发挥钢材的潜力。

对于管道上的应力，一般分为一次应力、二次应力和峰值应力三类：

（1）一次应力

管道承受内压和持续外载而产生的应力称为一次应力，它是在载荷作用下，结构为了满足静力平衡条件而产生的力。当应力达到或超过屈服极限σs时，由于材料进入屈服或静力条件得不到满足，结构将产生过大变形甚至破坏。一次应力的特点是没有自限性，它始终随着外力荷载的增加而增大，超过某一限度，将使管道变形增加直至破坏，因此必须防止发生过度的塑性变形。内压作用下管壁内产生的环向应力属于一次应力，设计时应根据弹性应力分析。

（2）二次应力

管道由热胀冷缩和气移受约束产生的应力，称为二次应力。它本身不是直接与外力相平衡量，而是由管道的各部分变形的协调来适应。它的主要特征是有自限性，当局部屈服和产生小量塑性变形就能使应力降低下来，时管系在工作状态和冷状态的应变达到自均衡。对于塑性良好的管材，除了刚性极大的个别情况外，一般管系在初次加载时，二次应力一般不会直接导致破坏，因此，二次应力的限定决定于交变的应力范围和交变的循环次数，这类应力根据塑性力学的安定性分析理论加以控制。

（3）峰值应力是有结构形状的局部突变而引起的局部应力集中的最高应力。峰值应力的基本特点是不产生任何显著的变形，而且在短距离内从根源衰减。它是造成管道和附件的疲劳裂纹或脆性破坏的原因之一，峰值应力按疲劳分析进行控制。

根据以上分析《城镇供热直埋热水管道技术规程》提出本规范的灵魂，也是无补偿冷安装直埋敷设的理论基础，规范5.1.1：管道的应力演算应采用应力分类法，并应符合下列规定：1、一次应力的当量应力不应大于钢材的许用应力；2、一次应力和二次应力的当量应力变化范围不应大于3倍钢材的许用应力；3、局部应力集中部位的一次应力、二次应力和峰值应力的当量应力变化幅度不应大于3倍钢材的许用应力。

3 结论

无补偿冷安装直埋敷设技术，从管道材料的应力特性出发，充分发挥管材的性能，大大减少了管线中补偿器和固定墩的数量，降低了初投资，减轻了维修工作量，不需要预热敷设，缩短了施工周期。自2003年以来，我院在胜利油田基地集中供热工程中一直采用无补偿冷安装直埋敷设技术。实践证明，这种敷设技术安全可靠，经济效益显著。

参考文献

[1] 邱煜珂.供热管道直埋敷设方式的探讨[J].包钢科技，2004，30（2）：94-95.

[2] 赵临东.集中供热工程中的直埋管道[J].山西建筑，2003，29（3）：155-156.