热水管道直埋无补偿技术

热水管道直埋无补偿技术

文章来源：北京东元同创能源技术有限公司

供热管道直埋设计现状

上世纪八十年代初，我国从北欧引进聚氨酯保温管后，供热管道由地沟敷设开始转向直埋敷设，而管道设计仍沿用架空管道和地沟管道的弹性设计理论，采用自然补偿或轴向补偿器＋固定墩的设计模式。近年来随着供热管网的规模越来越大，大口径的直埋供热应用趋于普遍，在弹性有补偿设计理论下，大口径直埋供热管道的补偿段越做越小（小到50m左右），固定墩体积是越来越大，管道安装施工难度加大，管道安装施工工期拉长，管道投资也随之相应增加。而直埋管道在安装轴向补偿器时，往往由于补偿器两侧管道轴线很难保证在同一水平直线上（经常出现夹角），这就给管网运行带来安全隐患。

我国供热管道直埋无补偿技术的发展与推广

我国对供热管道直埋无补偿研究起步较早。在上个世纪七十年代，北京煤气热力工程设计院就将火力发电厂汽水管道的设计理论引入到直埋管道设计上，该理论对管道应力分类，以在温变应力下不出现循环塑性变形为安定性条件，即安定性分析。在安定性理论验算下，对运行温度在85～150℃的直埋供热管网，一般可不设补偿器直埋敷设。

进入九十年代，北欧也意识到了在直埋供热管网中应用弹性理论没有反映钢材塑性变形和温变应力破坏的关系，也没有充分利用钢材自身塑性潜力。欧洲也制定了直埋无补偿的计算和设计方法。1999年我国正式颁布实施了《城镇直埋供热管道工程技术规程》（CJJ/T81－98）。规程中明确规定：管道应力验算采用应力分类法。然而由于传统的弹性

设计理论根深蒂固，加之设计人员保守观念，供热管道直埋无补偿技术推广和应用举步为坚，甚至有不少人认为直埋无补偿是天方夜谭，会给管网运行带来重大事故。2004年建设部218号公告《建设部推广应用和限制禁止使用技术》中明确将“直埋热水管道无补偿敷设技术”列为推广技术。2006年建设部发布的《建设事业“十一五”重点推广技术领域》(建科[2006]315号)中将“新型高效采暖空调与制冷技术、输配管网节能技术”列为“十一五”重点推广技术。

供热管道直埋无补偿设计方法

国外、国内大量的工程实践已经完全证明了直埋无补偿技术的可行性、实用性和安全性。目前供热管道直埋无补偿设计方法有两种：一种是北欧的计算方法，应用第四强度理论，采用极限分析，管道安装时需要预热安装；一种是北京煤气热力工程设计院的计算方法：应用第三强度理论，采用应力分类、安定性分析，管道安装冷安装即可。冷安装与预热安装相比较更为方便、快捷，易于应用和推广。

直埋供热管道管材分析

应用在供热管道上的管材多为低碳钢Q235。我们首先就要了解低碳钢Q235的材料特性。伸长率δ＜5%的材料为脆性材料，伸长率δ＞5%的材料为塑性材料。Q235塑性伸长率可达20%～30%（一般取26%），断面收缩率Ψ≈60%。由此可见Q235钢是一种塑性较好的一种材料，从Q235钢拉应力性能曲线上来分析它在不同应力阶段的变化情况。

低碳钢拉伸拉应力应变性能曲线（δ－ε曲线）

1、弹性阶段

OA为弹性变形阶段σp为比例极限，拉应力与变变保持正比例关系，Q235钢的比例极限σp=200MPa，σe为弹性极限（AB段）δ与ε间的关系不再成正比，但变形仍是弹性的。A与B非常接近，在工程不对弹性极限和比例极限并不严格区分。

2、屈服阶段

屈服：当应力超过B点到达C点后，应力σ呈现幅度不大的波动而变形却急剧地增长，这种现象称为屈服。C点为屈服高限，D1为屈服低限，通常将屈服低限称为屈服极限，Q235钢的屈服极限σs=235MPa。

3、强化阶段

强化：经屈服后，材料又增强了抵抗变形的能力，这时要使材料继续变形，就需要增大拉力，这种现象称为强化。D1D段为强化阶段。Q235钢的强化极限σb=375MPa。

4、局部变形阶段

从D开始，杆件某一局部横截面急剧收缩，出现颈缩现象，到E点时被拉断。

Q235钢的材料力学特性是进行直埋无补偿计算的基础。直埋供热管道在实际运行中存在着弹性变形与塑性变形相伴的复杂变形。对于直埋无补偿设计下的管材与管件我国参照欧洲标准EN253 、EN488分别制定了《高密度聚乙烯外护管聚氨酯泡沫预制直埋保温管》CJ/T114-2000标准及《高密度聚乙烯外护管聚氨酯硬质泡沫塑料预制直埋保温管件》CJ/T155-2001标准。这两个标准为供热管道直埋无补偿的实施提供了基础保障。

二、直埋供热管道的应力分析

直埋管道的安全性取决于管道中的应力。直埋管道中根据应力产生的来源及出现不同的失效方式可将应力分为：

1、一次应力：介质在管道中工作产生的应力，如内压环向应力。

2、二次应力：管道热胀冷缩变形产生的应力，如温变轴向应力。

3、峰值应力：一定时期内，承受一次应力和二次应力的直管道向管件释放变形，在该管件上产生的应力集中。

在直埋管道中，二次应力（轴向温变应力）的水平远远高于内压产生的一次应力（内压应力），因此，直埋管道的安全性主要取决于管道的轴向温变应力。

三、直埋供热管道的破坏方式

从理论上讲，直埋供热管道上存在着多种破坏方式，但地实际工程实例中，对直埋供热管道产生主要破坏作用方式有以下二种方式：

1、强度失效

（1）塑性变形

塑性变形是一次应力与二次应力共同作用下产生的，而对一个供热管网，一次应力的最大值是相对固定的，因此，直埋供热管道产生塑性变形主要取决于二次应力（温变应力）。所以，当二次应力超过管道屈服极限σs时，管道产生有限的塑性变形；当二次应力超过了两倍管道屈服极限，即2σs时，管道在温变压应力下产生压缩变形，管道在温变拉应力下产生拉伸塑性变形，这样就产生了循环塑性变形。

直埋管道的直管段在温变压应力作用下，Δσ≤3[σ]时，管道不产生无限塑性循环变形，管道处在安定状态；Δσ＞3[σ]时，管道产生无限塑性流动，产生破坏。

直埋管道的直管段在温变拉应力下，Δσ＜2[σ]时，不产生新的塑性变形，管道处在安定状态；Δσ≥2[σ]时，管道在温变拉应力作用下产生破坏。

（2）疲劳破坏

弯头、变径、折角、三通等管件承受的应力是一次应力和二次应力集中所产的的峰值应力。管件在热网启运和停运时承受极值峰值应力，而在热网正常运行时，管件只承受低频峰值应力。根据工程实例数据，弯头、变径、折角、三通等管件的峰值应力，在Δσ≤6[σ]

时不会产生疲劳破坏。弯头、变径、折角、三通等管件的疲劳破坏是直埋供热网中是主要的破坏方式。

（3）荷载破坏

管道上方出现高传递性荷载（如载重车辆通过）时，管道局部截面产生椭圆化变形，相应地会产生应力集中，造成管道破坏。荷载破坏是供热管网破坏的常见方式。

2、稳定失效

（1）整体失稳

直埋管道在运行工况下承受的最大应力是轴向压力，当管道温升较高，管道热膨胀变形不能完全释放时产生的轴向二次应力（温变应力）急剧升高，在压杆效应下，管道易出现轴向整体失稳破坏。

（2）局部失稳

直埋管道属于薄壁壳体，在轴向压力超过弹性极限后，管道开始出现局部失稳破坏趋势。

四、应力计算

（一）直管道的应力计算

1、直埋管道基本许用应力

基本许用应力一般按以下两种方式确定：

[σ]= σb/3 或[σ]= σs/1.5

目前工程计算中按[σ]= σb/3 计算基本许用应力，按σb/3取值符合Q235钢的材料力学特性。

2、管道环向应力

σt=PdDi/2δ

Pd---管道计算压力

Di---管道内径

δ---管道公称壁厚

3、管道最大允许循环温差

ΔTmax---无补偿管段存在的最大允许循环温差，℃

T1---管道最高运行温度，℃

T2---管道最低运行温度，℃

E----钢管弹性模量，Pa

α---钢管的线性膨胀系统，m/(m℃)

4、管道总应力变化

σj---管道运行与停运工况的总应力变化，Pa

5、锚固段轴向应力

T0---管道计算安装温度 ，℃

A ---钢管管壁的横截面积，㎡

（二）弯头应力计算

弯头可以通过一侧弯臂的变形来吸收另一侧弯臂的应变及应力，弯臂的应力向弯头聚集，弯头通过自身的应变来吸收弯臂的应力，而过大的应变会导致弯头产生疲劳破坏。因此，直埋无补偿计算中，应对弯头进行强度计算。

弯头在直埋管道中多以L型弯、Z型弯及∏型弯形式出现。

弯头强度计算：

Δσj-----弯头总应力变化，Pa

Δσh′---弯头环向应力变化，即运行工况下的环向拉应力σh，Pa

β――――疲劳试验应力加强系数

ΔM――――弯头的弯矩，Nm

rw′---弯头处钢管外壁半径，m

（三）折角设计

在管道安装过程中，经常受路由及安装条件的影响，管道会出现一些折角。折角不象弯头那样具有较高的应变吸收能力，其应力水平要比弯头高得多，产生破坏的概率也较大。

管道启运时，折角处内压产生环向拉应力，折角两侧温变应力共同作用在折角上，折角点产生水平位移。在弯矩M作用面的内侧，产生轴向弯曲压应力的点为危险点，该点的主应力是环向拉应力，折角处的当量应力为：

σj-----折角处当量应力，Pa

Pd----管道的计算压力，Pa

ri----钢管内壁半径，m

δ----钢管壁厚，m

β----折角应力加强系统

N----折角处的轴向力，N

A ---钢管管壁的横截面积，㎡

I----钢管的惯性矩，m4

M----折角处的弯矩，Nm

ro----钢管外壁半径，m

折角处的峰值应力超过6[σ]时，应采取特殊措施来保护折角。

（四）变径设计

变径是管道上常用的管件，直埋无补偿设计中，由于变径两侧的直管道的应力不相同，特别是上级管径应力大于下级管径应力，造成变径处的峰值应力过大，对变径产生破坏。因此，应对变径采取加强或设置固定墩保护。

（五）支线抽头（三通）

支线抽头相对主管道来讲，起固定作用，有利于提高主管道的安全性。但抽头处也同时是环向拉应力最大的地方，对支线的破坏性产生较大。在高温直埋无偿管道中，应采取加强及特殊抽头处理来保证支线的安定。

直埋管道的工作环境较为特殊，影响直埋管道的的各种力在理论上都会对管道产生影响，但我们在实际的工程实例中，要根据实际工况来区分哪些力会对管道的物理结构、运行工况产生严重影响，导致管道无法安全运行。例如：管道内压超过一定限度时会导致管道破裂。管道热膨胀变形不能完全释放时温变应力超过管道屈服极限σs时，仅会使管道结构产生塑性变形，塑性变形产生的应变只要是在安全范围内，不会对管道结构造成危害，管道仍能在安全工作条件下运行，管道就处在安定状态。充分发挥管道的材料潜力，使管道不出现物理破坏，这就是应力分类强度设计的主要出发点，它是一种先进的设计方法。

参考文献：

《城镇直埋供热管道工程技术规程》（CJJ/T81-1998）

《直埋供热管道系统设计方法》王钢

《实用直埋供热管道技术》穆树芳