乌鲁木齐热力工程设计研究院 新疆 乌鲁木齐 830018
【摘 要】供热直埋热水管道无补偿敷设具有施工快、经济性好、无泄漏等优点，因此日益受到国内供热管道设计方和施工方的青睐。无补偿直埋敷设方式从初投资以及管网运行的节能性、稳定性、安全性等方面都比有补偿敷设具有较大的优势，因此无补偿预应力安装的先进供热管道敷设方式亟需推广应用。
【关键词】供热管道；无补偿直埋；敷设方式；应力
前言
城市供热管网的敷设方式按管网敷设位置分为架空敷设、地沟敷设和直埋敷设。地沟敷设由于不影响地上的路面和构建物，敷设更加灵活可靠，因此在供暖工程中曾被广泛应用。但考虑到地沟敷设所需要的工程量较大，投资较多，而且实际工程中需要设置较多的补偿器和固定支架，因此规范中推荐采用直埋敷设，目前直埋敷设方式在国内供热工程中已经得到普遍使用。
管道直埋敷设方式分为无补偿和有补偿两种。一般情况下，由于介质温度与安装温度存在较大的温差，供热管道在安装后会出现一定的伸缩，如果不采取补偿措施，当管道承受的应力超过许用应力时，就会造成管道的破裂等现象。这种情况下如果采取直埋敷设，管道与土壤之间的摩擦力与管道热应力会相互抵消，从而约束管道的热伸长，给无补偿敷设带来可行性。
1 直埋敷设方式的应力验算
直埋供热管道运行的安全性取决于管道应力的大小。按照管道应力计算规则，管道应力包括三部分，①管道的工作压力和自重产生的一次应力；②管道热胀冷缩受外力约束时产生的二次应力（即热应力）；③直管道在承受一次应力和二次应力的作用下，向管道不连续处的管件（如弯头、三通、变径）释放变形，在管件处产生的峰值应力。对于直埋敷设方式而言，热应力作用远远高于内压与自重产生的一次应力，对管道应力影响最为显著。因此，直埋供热管道热应力的大小是工程能否安全运行的重要因素。
直埋管段的应力验算方法有两种，弹性分析法和弹塑性分析法。
1.1 弹性分析法
按第四强度理论—变形能强度理论进行应力验算。这种分析方法是假设管道在弹性状态下工作，并且不会出现塑性变形（管道出现塑性变形即产生破坏）。
1.2 弹塑性分析法
采用安定性分析原理，按第三强度理论—最大剪应力强度理论进行应力验算。此验算方法容许管道有限量的塑性变形，即管道可在弹塑性状态下运行。目前我国现行《CJJ/T81-98 城镇直埋供热管道工程技术规程》中采用弹塑性分析法进行管道应力验算[1]。
计算出在锚固条件下满足应力验算条件的最大允许温差，即可通过简化验算对实际工程进行设计计算。简化验算的步骤为：①先计算出在锚固条件下满足应力验算条件的最大允许温差；②对比运行温差与安装温差决定是否需要设置补偿装置，如果运行与安装温差控制在最大允许温差以内便认为管道能够安全运行，如果运行与安装温差超过最大允许控制温差则认为管道不能安全运行，需要增设补偿装置。
2 直埋敷设方式的有补偿敷设与无补偿敷设
直埋供热管网的敷设方式按照是否允许出现无补偿管段可分为有补偿敷设与无补偿敷设。
2.1 有补偿敷设
通过应力验算后不能满足强度与稳定性要求时，需要在管道上设置补偿器来吸收管道由热胀冷缩产生的热应力，这种敷设方式称为有补偿敷设。常见补偿器有自然补偿器、波纹管补偿器、套筒补偿器及球形补偿器。自然补偿器与波纹管补偿器是利用材料的变形来吸收热伸长量；套筒补偿器和球形补偿器是利用管段位移来吸收热伸长量。
通过设置补偿器能够有效的防止供热管道由于升温产生的热应力而引起管道的变形或破坏，但增设补偿器也有其不可避免的弊病。首先增设补偿器，必然增加供热管网的初投资；其次采用补偿器取代管道，本身就形成了管道的危险点，增加了管网的事故率。因此，在供热管网的设计中，应当科学地进行应力验算，尽量减少补偿器的设置，这样既减少了管网出现事故的概率，同时也降低了管网的工程造价。
2.2 无补偿敷设
通过管道应力验算后能够满足强度与稳定性要求时，不需要在管道上增设补偿装置，这种敷设方式称为称为无补偿敷设。无补偿敷设方式在严格执行现行规范应力验算方法的前提下，既能够保证管道安全运行，还可以节约初投资（与有补偿敷设方式相比，无补偿敷设方式可节约15%左右的初投资），同时可减少运行维护工作量及产生的费用，并有效降低由于增设补偿器而发生的事故率 [2]。
目前，我国供热管道应用无补偿敷设方式可采用冷安装与预应力安装两种。
冷安装是管道焊接与管沟回填过程都处于自然环境温度，该敷设方式的管道在安装时处于零应力状态，在运行时由于运行温度与安装温度温差较大，无补偿管段的热应力较大。是目前最常用的供热管网敷设方式，广泛应用低温供暖系统及地势平坦、地下障碍物少、分支较少的高温供暖系统。
预应力安装是目前较为先进的直埋管道敷设技术，在管道安装过程中将预制保温管的工作钢管进行预热，当管道达到设计预热温度和热伸长量时进行回填。预热过程能够使管道提前释放热伸长量，从而降低管道在运行时的轴向应力，提高管道运行的稳定性和安全性。
预应力安装方式与冷安装方式温度、应力随安装运行时间推移变化的趋势皆有所区别，分析如下：
2.2.1冷安装方式与预应力安装方式温度随运行时间的变化趋势
冷安装方式是在自然环境温度下进行管道敷设，t0 为安装温度，t1为运行时的最高温度，温度随时间的变化呈线性增长，如图 1（a）；预应力安装方式是在管道敷设时将安装温度提升到tm, 敷设后在管网运行前温度下降到 t0，运行时最高温度依然为 t1，如图 1(b)。
图 1 冷安装方式与预应力安装方式温度随时间变化图对比
2.2.2冷安装方式与预应力安装方式应力随运行时间的变化趋势
冷安装方式在自然环境温度下管道处于零应力状态，在运行工况下，管道处于无补偿状态，随着温度的升高，管道内应力逐渐升高，当温度升至运行最高温度 t1时，管道内应力为σ1=αE(t1-t0)，如图2（a）。预应力安装方式由于管道在安装时进行预热，管道通过热伸长释放热膨胀力，因此从 t0 升高到 tm过程中管道的应力为零。当管道安装完成后，管道的温度下降到环境温度t0，此时管道处于拉应力状态，管道应力为 σ0=αE(t0-tm)。在运行工况下，当管道温度升高预热温度，与拉应力效果抵消，管道应力为零，产生预应力作用[3]。管道温度继续升高，达到运行最高温度t1，管道内应力为 σ1=αE(t1-tm)，如图 2（b）。
图 2 冷安装方式与预应力安装方式应力随时间变化图对比
通过冷安装与预应力安装方式温度与应力随时间变化图分析可知，预应力安装方式由于热伸长量提前释放，导致两种敷设方式应力变化范围虽然相同，但是预应力方式应力变化幅度却仅为冷安装方式的 1/2，从而使管道的轴向内力大幅下降，提升管道在运行状态下的整体和局部稳定性。
3 结语
在满足管道应力验算的前提下，采用预应力安装的无补偿敷设方式，既能减少管网补偿装置的初投资，又可有效的避免管网危险点的出现，同时通过在安装过程中对管道进行预热，大大降低了管道运行状态下轴向应力，提高了管道的安全性、稳定性及使用寿命。因此无补偿敷设预应力安装方式，推动了直埋管道安装技术的发展，必将在国内外的直埋供热管道施工中有一定的实际应用价值。
参考文献：
［1］张贵学．低压热水管道无补偿直埋敷设［J］．煤炭技术，2008，27(5):112 －113．
［2］李仲博．地沟管道敷设与无补偿直埋管道敷设的设计方法探讨［J］．区域供热，2012(5):17 －22．
［3］黄寿山，刘枫． 高温热水管道常态无补偿直埋敷设简介［J］．区域供热，2010(4):70 －71，74．
论文作者:李佳
论文发表刊物:《低碳地产》2015年第7期
论文发表时间:2016/8/23
标签：管道论文; 应力论文; 方式论文; 预应力论文; 管网论文; 温度论文; 温差论文; 《低碳地产》2015年第7期论文;