摘要：供热管道无补偿直埋敷设经济性和实用性都很高，在实际工程中遇到的一些问题进行总结，有助于指导以后的设计及施工。
关键词：无补偿直埋敷设；三通；锚固段；检查井
1.概述
几十年来，我国的供热管道沿袭采用地沟敷设，但是地沟敷设存在许多的问题。为了解决这些问题，国外的一些技术发达国家早在20世纪30年代就开始研究和应用直埋敷设代替地沟敷设的供热方式，我国从20世纪80年代开始应用这一技术。为了满足城市集中供热管网直埋敷设的工程的需求，整体提高供热管道直埋敷设的设计质量，减少固定墩补偿器用量，降低工程造价，减少热损失节约能源，增加管网的可靠性和使用寿命，满足美观和减少占地的要求，工程实际中常采用无补偿直埋敷设。
2.介绍
无补偿直埋敷设是不采取人为的热补偿措施的直埋敷设方式，即不采用固定墩或固定支架和补偿器，利用管网本身的弯头或三通来补偿管道伸缩量。
3.计算时需要考虑的问题
3.1总体需考虑的计算
管线计算包括管线驻点和锚固段位置计算、弯头应力计算、竖向弯头应力验算管线任意点伸长计算、弯臂软回填或空穴长度计算、过渡段长度计算、最大允许过渡段长度计算、摩擦力计算、轴向力计算、管道的臂厚的计算、水力计算和热损失计算等。
3.2循环温度的选取
在实际计算中，循环计算最低温度取安装温度而非回水温度，全年运行时取30℃，只在供暖期运行时取10℃。为了保证管道允许锚固段的存在，按照弹塑形分析法，对于相同的管径，在不同的设计压力下，其允许的最大温差不同，设计的循环供水温度应小于允许最高的温度，循环最高温度选热网设计供水温度。
3.3驻点的计算
管道的驻点位置计算是重点。在工程实际中，往往要求设计人员提供弯头的曲率半径和三通承受的轴向力，在计算中应该首先计算驻点的位置，当管段长度小于两倍的过渡段长度时，管段中存在驻点。驻点位置的确定需要根据驻点处的受力平衡来确定，即驻点两侧的摩擦力和弯头的轴向力之和相等，驻点的位置的确定需要采用迭代法。
.png)
.png)
式中 .png)
---驻点两侧的过渡段长度，m
L ---直管段的总长度，m
.png)
，.png)
----驻点两侧的过渡段的平均单位长度的摩擦力，.png)
.png)
-----为管道轴向力 N
其中弯头的轴向力与弯头的两臂长度有关。在管道出现变径时，管道的摩擦力实际上是驻点两侧各种规格管道单位长度摩擦力的平均值，根据每次迭代得到的驻点位置重新确定两侧的平均摩擦力的值。当前后两次迭代过程的弯头轴向力的相对误差小于等于10%就可以认为收敛了。
3.4直埋管的稳定性验算
3.4.1整体稳定性分析：直埋管最小覆土深度应满足垂直稳定性要求，一般而言大于DN700的直管道不必从垂直稳定性考虑限制其埋深。
3.4.2局部稳定性分析：公称直径不大于DN800、工作温差小于85℃时，不会出现局部失稳；当供水温度大于130℃、公称直径大于DN800时，采用标准壁厚的钢管，在锚固段可能会出现局部皱结。
3.5直埋管的强度验算
无补偿管段强度验算有两种强度验算理论：弹性分析法（第四强度理论）和安定分析法（弹塑性分析，第三强度理论）。直埋管的安定条件判断，根据应变大小可分为不发生任何塑性变形（△ε≤2εs，|ε|＜εs，安定状态）、发生有限塑性变形（△ε≤2εs，|ε|＞εs安定状态），发生循环塑性变形（△ε＞2εs，不安定状态）。
3.5.1极限分析：为防止管道出现塑性流动，必须保证一次应力小于屈服极限σs。考虑安全因素后，设计应保证一次应力不大于许用应力[σ]。
3.5.2安定分析：为使管道处于安定，必须保证一次应力（工作压力产生的内力，包括轴向应力和环向应力）与二次应力（热应力，升温产生轴向压应力，降温产生轴向拉应力）共同作用下当量应力变化范围小于2倍屈服极限σs。考虑安全因素后，用抗拉强度σb代替 2σs。管道安定条件：当量应力变化范围不大于3[σ]。
3.5.3疲劳分析：一次应力、二次应力、峰值应力（三通、变径、弯管等局部应力集中）综合作用下应力变化范围不大于6[σ]，亦即当量应力幅度不大于3[σ]。
3.6关于过渡段及无补偿冷安装
3.6.1关于过渡段长度
当直管段间距（两弯头的距离）大于过渡段极限长度（最大过渡段长度）两倍时，在两（自然）锚固点之间会形成一无补偿管段（自然锚固段），存在两个自然锚固点；当补偿装置间距小于等于两倍过渡段长度时，以驻点为界分为两个过渡段（有补偿段）。
3.6.2无补偿冷安装
无补偿冷安装直埋敷设的条件：根据弹性理论分析（σeq≤1.35[σ]），只要安装温差不大于弹性温差，就允许直管段不安装补偿器而进行无补偿直埋敷设，管道在弹性状态下运行。换言之，当安装温差大于弹性温差时，直管段中不允许存在锚固段，必须安装补偿器，设置补偿器的最大间距即为管道存在锚固段时过渡段长度的两倍。过渡段长度可以根据存在锚固段时驻点处轴向应力以及单位长摩擦力求出。
3.7三通的计算
在确定了管网的走向及管网供回水的工作压力和温度后，直埋供热管网的设计主要任务是确定锚固段长度和位置以及弯头的曲率半径和三通的轴向力。管段锚固段位置可以指引设计人员确定出三通的位置是否合适以及是否需要进行管道位置的调整。直埋管道中，三通同时承受来自主管和分支管的轴向作用力，是应力集中较大的部位，是疲劳破坏概率最大的管件。因此正确设计三通分支节点尤为重要，三通设计前首先确定三通处主管和支管的轴向位移量，其中分支点支管产生的轴向位移量根据三通的抽引方式确定，当支线的由Z形弯引出时，应将分支点支线位移做零处理，计算支线侧弯头及支线的驻点位置，进一步计算支线任意点的热伸长；当分支点有足够的位置时，通常采用Z形弯管引出。在工程实际中出三通的位置很难做到正好在管段的锚固段，这时需要计算在过渡段中假定三通处的管段伸长量，根据城镇供热直埋热水管道技术规程中要求直埋管道分支点干管的轴向位移量不宜大于50mm，即开三通处位移量尽量小于50mm。可能由于其他原因工程中三通的位置又不允许更改，我们的处理办法是延长管段的铺设距离，在管段的末端做盲端。从而保证三通处的伸长量小于50mm，这样做虽然增加了成本，但在一定程度上保证了三通处的安全，保证了整个管网的安全。
4.阀门井的设计
工程中阀门检查井的位置，由于进换热站管道可能很短，阀门检查井的位置最好在离进换热站较近的直管段上，这样做是考虑到泄水和排气的需要。也有认为放在直管道的中间位置处，为了保证阀门井不被管道的伸缩力破坏。由于阀门井一般为混凝土结构，其实际承受力完全可以满足管道伸缩力，我们认为阀门检查井放在距离换热站较近的直管段上还是比较合理的。此外在实际工程中如果按照05N5制作出的阀门检查井有些小，不利于工人的调节和维修，设计人员应该适当的加大尺寸。
5.总结
理论上在设计无补偿供热直埋管道时，需要根据现场勘探，确定管线敷设完全可以避开自来水井污水井雨水井，电力电缆井，通信电缆井等障碍物，在多数情况下路由不是近似直线，需要我们利用小折角来处理实现以曲代直，但是这样给施工带来很大的困难。所以在实际工程中我们可以灵活处理，尽量设计直埋管道直一些。0
参考文献：
[1]城镇供热直埋热水管道技术规程 （CJJ/T 81-2013）
[2]王飞 张建伟 直埋供热管道工程设计 中国建筑工业出版社
[3]贺平 孙刚 王飞 吴华新 供热工程 中国建筑工业出版社
论文作者:侯文明
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/29
标签：应力论文; 管道论文; 锚固论文; 弯头论文; 长度论文; 位置论文; 轴向论文; 《基层建设》2020年第2期论文;