摘要：针对公称直径大于500mm的大管径直埋热水供热管道的特点，探讨了在设计计算及安装运行中的技术要点。
关键词：大管径；直埋；供热管道；技术要点
直埋供热管道无补偿冷安装方式以其构造简单、占地少、施工期短、维修量小、运行耗电量少、使用寿命长等优势，已成为城市热网的主要安装方式。已颁布实施的CJJ/T81-98《城镇直埋供热管道工程技术规程》（以下简称《规程》）的适用范围为公称直径≤500mm的直埋热水供热管道。随着我国供热事业的飞速发展，《规程》的适用范围已不能满足热网建设的需要，直埋热水供热管道的最大管径已达到DN1000～1200mm。在设计时，由于对大管径直埋热水供热管道（以下简称大管径管道）的强度设计无章可循，易出现设计人员简单地采用有补偿安装方式，设置补偿器和固定支座，既增加了热网的造价又降低了热网的可靠性。本文对大管径直埋热水供热管道的技术要点进行探讨。
1 安装方式的选择
补偿器是管道系统中极易损坏的部件，增设补偿器易造成管网事故概率上升。设置固定支座使预制直埋保温管的保护层断点增加，降低管网整体的密闭性，土壤中的水分易渗入腐蚀钢管。大管径管道往往是热网的输送干线，要求有较高的可靠性和安全等级，因此大管径管道不宜采用有补偿安装方式，宜采用无补偿冷安装方式。
采用无补偿冷安装时，尽量将管道上的三通分支、阀门等布置在驻点位置，依靠摩擦自然锚固，限制管件的位移，并利用Z形弯管的分支，减少补偿器和固定支座的数量。但也不是完全不设补偿器和固定支座，设计中为简化受力状况，在下列情况还需设置补偿器：防止直管的循环塑性变形和整体失稳；保护折角、三通、变径管及阀门等管件；减小对固定支座的推力。同样，在下列情况还需设置固定支座：当阀门或三通主管不能承受所连接直管的内力作用时，需在内力较大的一侧设置固定支座；在三通支管设置固定支座（或补偿器）限制支管的热胀变形向三通转移。
必须指出，在无补偿冷安装中设置少量的补偿器和固定支座的目的，主要是控制管件的热位移和减小对固定支座的推力，这与有补偿安装中用于控制直管段温度应力有本质区别。
2 技术要点
2.1设计计算
（1）管道的安全状态
大管径与小管径管道的区别在于其相对壁厚较薄，除存在小管径管道可能出现的强度失效和整体失稳外，还增加了局部失稳和椭圆化变形。因此，稳定失效成为大管径管道的主要失效方式。产生局部失稳的原因是管道的轴向应变，轴向应变取决于热胀变形的大小和释放程度，还与管道的截面参数有关。产生局部失稳的可能性随着钢管平均半径的增大而增加，随着管壁的增厚而减少，除此之外，采用预热安装、提高安装温度、减小温升轴向力、降低热胀变形量也能增强抗局部失稳的能力。作用在管道上的垂直荷载（包括土壤荷载和车辆荷载）是产生椭圆化变形的主要原因，土壤荷载随着管道的埋深增大而加大，车辆荷载随管道的埋深增大而减小。椭圆化变形也与管道的截面参数有关，在相同的垂直荷载作用下，钢管的平均半径越大，椭圆化变形越大；管壁越厚，椭圆化变形越小，因此，加大覆土深度、设置过路套管、适当增加管壁厚度，可防止椭圆化变形。
《规程》只给出了直管的循环塑性变形、整体失稳的计算模型及弯头疲劳分析的计算模型，未给出直管局部失稳、椭圆化变形及折角、三通和变径管的强度计算模型：因此，需进一步完善直管与管件的强度计算模型，合理设计管件结构，保证直管与管件的安全。
（2）管道单位长度摩擦力的计算
《规程》提供的直埋管道单位长度摩擦力计算公式未考虑管道的自重，虽然管道自重对小管径管道的单位长度摩擦力影响不大，但对大管径管道的影响不可忽略。公称直径＞500mm的大管径管道单位长度摩擦力F的计算式为：
式中F——大管径管道单位长度摩擦力，N/m
——预制直埋保温管外壳与土壤的摩擦系数
p——土壤密度，kg/m3
g——重力加速度，m/s2
h——管顶覆土深度，m
dc——预制直埋保温管外壳的外径，m
W——单位长度预制直埋保温管注满水后的重量，N/m
（3）预制直埋保温管的技术标准
CJ/T 114-2000《高密度聚乙烯外护管聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管》没有涉及大管径预制直埋保温管的规格标准，未强调对钢管进行抛丸处理及对PE外护管进行电晕处理，因此不能保证钢管、聚氨酯层、PE外护管三者间具有足够的剪切强度。此外，该标准中没有明确要求将检漏报警线纳入管子。
（4）直埋阀门的技术标准
直埋阀门在高轴向力作用下，会产生不同于管道的破坏方式，变形较大时将导致不能正常工作。我国目前尚无直埋阀门标准，生产厂家不能提供直埋阀门能承受的最大轴向力的数据。若按公称压力选型，易出现被拉坏的现象，因此需进一步完善相关技术标准。
（5）小角度折角的最大允许范围
《规程》对小角度折角的允许值偏大。当采用无补偿冷安装时，在锚固段中小角度折角的最大允许值为：当最大循环温差分别为90、100、110、>110℃时，小角度折角的最大允许值分别为2.0°、1.0°、0.5°、0.0°。当采用预热安装时，轴向应力还存在一定的强度余量，小角度折角的允许范围为1°～5°。
（6）采用曲管设计
采用曲管代替斜接缝折角和传统的弯头，可避免应力集中。采用曲管具有以下优点：管道布置可按更自然的方式沿街道或地形进行，可缩短管道长度；可避免使用小度折角；可减少接头，延长了管道使用寿命。
曲管可以通过先焊接直管，然后采用弹性弯曲管道的方法安装。将许多直管段焊接在一起，安装在弯曲的沟槽中，在沟槽回填前，用砂袋等物体支撑管道。为确保曲率均匀不损坏预制直埋保温管保护层，钢管中的弹性应力应限制在210MPa内（当允许部分塑性变形时）。曲管的曲率半径R的计算式为：
式中R——曲管的曲率半径，m
E——钢材的弹性模量，MPa
——钢管的公称直径，m
——钢管中的弹性应力，MPa
大管径管道曲管的设计参数见表1。
表1大管径管道曲管的设计参数
（7）两个变径间的距离
采用无补偿冷安装时，管段的每一次变径只能是一档变径。这里，我们引入变径管摩擦长度的概念，它是突变的轴向应力被土壤的摩擦力吸收所需要的长度。由于高应力，两次变径间的最小距离应为2倍的摩擦长度，而且在变径管摩擦长度的管段内不应再有三通。
2.2安装与运行
（1）设置泡沫垫及管外缠绕塑料膜
土壤对有侧向变形的管件（如弯管、三通支管）及阀门的限制作用将加大该处的应力水平。当管道埋深大于1.2m时，应在产生侧向变形较大的区域设置泡沫垫，使管道在压实的回填土内可以移动，增加弯臂吸收变形的能力，降低土壤对管道侧向位移产生的侧向压缩反力，防止预制直埋保温管的保护层被压坏。按相关文献提供的安装技术和模型（采用横向土壤反力的非线性模型），使弯臂长度等于摩擦长度，弯头应力变化也能满足疲劳分析要求，因此无须设置固定支座限制直管部分热胀变形向弯头的积累，可采用冷安装。目前，我国不设置泡沫垫，不限制直管部分热胀变形，弯头一般都不足疲劳分析要求，需在直管上设置固定支座来保护弯头，为降低对固定支座的推力，还需设置补偿器。
当采用一次性补偿器预热安装时，为使补偿器吸收的变形均匀地分配在管线上，应降低管道与土壤间的摩擦力，可在管道外壳上缠绕塑料膜（厚度为0.5～0.7mm）。《规程》对此没有规定，易造成预热时间较长或预热不到位即进行回填，影响预热效果。
（2）预热安装方式的选择
相关文献指出，小管径管道可采用热水预热。大管径管道宜采用电预热，电预热可以很好地控制预热过程，使预热更加经济有效。电预热与水预热相比，消耗的热量比为1：25.8，预热时间比为1：（3～5）。
（3）热网运行中应注意的问题
采用预热安装时，应格外注意设计给定的循环温差，防止在低温下焊口被拉裂，在寒冷期施工时，需采取防护和预热措施，焊接时应保证焊缝自由收缩和防止焊口的加速冷却。若在供暖期前遇到寒流，当管道内的水温接近10℃时，应提早启动供热首站采取热循环，维持管网的最低水温。
在热网的运行调节中，应避免水温频繁变化，温度交变将加大钢管的损伤，产生疲劳破坏。可采用分阶段改变温度量调节，保持温度变化平稳。不仅运行耗电量少，而且比较适合用户自主调节及计量供热收费，并可提高热网的使用寿命。
目前，国内热网的清洗多采用水力冲洗，对于公称直径≤100mm的管道可采用水力冲洗；对于公称直径＞100mm的管道，宜采用管道除垢器进行清洗，以节约用水。采用管道除垢器进行清洗时，必须保证石块、焊条、焊渣等已从管道中被清除掉，管道除垢器的钢球至少要通过管道两次，直到所有杂质被清除为止，并在管道末端设置接收杂质的设备。
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论文作者:胡光,黄辉
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/8
标签：管道论文; 支座论文; 管径论文; 应力论文; 长度论文; 公称论文; 摩擦力论文; 《建筑模拟》2018年第4期论文;