浅谈城镇直埋供热管道的设计施工

吴江山

（黑龙江省农垦宝泉岭管理局建筑设计院，黑龙江 萝北 154211）

1 直埋管道管材的选择

根据输送介质的技术要求，供热钢管可分别采用有缝钢管、无缝钢管、双面埋弧螺旋焊接钢管。直埋的热力管道内压一般都很低，由内压引起的应力不足允许值的50%。发生直接爆破破坏的可能性非常小，破坏的最大可能是由温度应力引起的塑性疲劳破坏。因此，在选择管材时，应主要从抗疲劳性能来考虑。这就要求选择塑性比较好、易焊接的材质，一般10#、20#钢较为适宜。轴向温度应力与管壁横截面积的大小无关，增加壁厚并不能降低管壁内的轴向应力。相反，它可能增加对固定墩的推力和过渡段的热伸长量。因此，管壁应尽可能选择较合适的规格厚度。

2 直埋管道的布置

直埋供热管道的布置应符合国家现行标准《城市热力网设计规范》的有关规定。管道布置的合理与否直接影响到管道的敷设方式。热力网的布置应在城市建设规划的指导下，考虑热负荷的分布，热源的位置，与各种地上、地下管线及构筑物、园林绿地的关系等因素，经技术经济比较来确定。

3 直埋管道的敷设

直埋供热管道的敷设方式按照长直管段是否允许出现无补偿管段可分为两大类：有补偿敷设和无补偿敷设。有补偿敷设可用于各种供热系统，而无补偿敷设是有必要条件的，即使采用预热安装也是如此。在直埋管道敷设时需注意的要点：管道尽可利用转角自然补偿。从干管直接引出分支管时，在分支管上应设固定墩或轴向补偿器或弯管补偿器。三通、弯头等应力比较集中的部位，应进行验算，验算不通过时可采取设固定墩或补偿器等保护措施。当需要减少管道轴向力时，可采取设置补偿器或对管道进行预处理等措施。当地基软硬不一致时，应对地基做过渡处理。埋地固定墩处应采取可靠的防腐措施，钢管、钢架不应该裸露。轴向补偿器和管道轴线应一致，距补偿器12m范围内管段不应有变坡和转角。

4 直埋管道的作用及应力特点

直埋供热管道的安全性取决于管道中的应力大小，而应力的大小又取决于作用于管道的荷载，在直埋供热管道中，荷载包括主动荷载和被动荷载。不同类型的荷载，使管道产生不同性质的应力，进一步可能导致不同方式的破坏。温度和压力是热力管道上最主要的两种作用荷载。对于直埋管道，还有轴向位移产生的土壤轴向摩擦力和侧向位移产生的土壤侧向压缩反力。另外，在管道局部结构不连续处会产生应力集中，对应的应力称为峰值应力。峰值应力不会引起显著的变形。但循环变化的峰值应力，也会造成钢管内部结构的损伤，导致管道疲劳破坏。管道在弯头、三通处产生的应力属于峰值应力。由于土壤的均匀支撑，管道的自重没有产生自重弯曲应力，故一般忽略不计。但是对于热网中常用的管道，其公称壁厚要远远大于该压力所需的设计壁厚，内压产生的实际应力也就远远小于管材的屈服应力。相反，由于管道中热胀变形不能完全释放，使管道产生了较大的轴向压力和压应力，其中轴向压应力可能与屈服应力处于同一数量级上。因此，在直埋敷设热力管道中，内压的影响较小，管道产生爆裂的可能性很小，而温度的影响则较大，因此，直埋供热管道能否安全运行的至关重要的因素是热应力的大小。

5 防止直埋管道破坏的方法

5.1 防止循环塑性破坏

管道温度在管道工作循环最高温度与最低温度问变化时，所产生的应力变化是循环塑性破坏的起因。无论是锚固状态的管道，还是滑动状态的管道，应力变化都与安装温度无关，故预应力安装不解决冷安装的循环塑性破坏的问题。当锚固状态的直管段满足不产生循环塑性破坏的安定性条件时，锚固状态的管道允许存在，该直管段可以采用无补偿安装方式，当然包括了无补偿冷安装方式。否则，应在该直管段设置补偿装置，并通过调整补偿装置间距，控制管段上的应力变化，使之不产生循环塑性破坏，这时，该直管段就变成有补偿安装方式。

5.2 防止疲劳破坏

疲劳破坏是指管道的局部地方由于应力集中引起的局部循环塑性变形导致的局部破坏。直埋供热管道的弯头、折角、变径及三通等管件处都会产生应力集中。在温度和压力变化过程中，应力集中引起的峰值应力，将在很小的局部范围内产生循环塑性变形，导致了疲劳破坏。疲劳破坏也与应力变化有关，峰值应力的变化范围越大，疲劳破坏所经历的时间越短，表现为局部开裂、漏水等。防止疲劳破坏主要是采用固定墩加固和补偿器补偿的方式解决。

5.3 防止失稳破坏

在进行直埋供热管道设计时，除考虑循环塑性破坏外，还要考虑稳定性问题。管道温度从安装温度升高到管道工作循环最高温度时，所产生的升温轴向压力是整体失稳破坏的起因。在冷安装条件下，锚固的直管段满足稳定性条件时，该直管段可采用无补偿冷安装方式。一般地讲，供水温度不高于130℃、管径不大于DN500的热网，采用无补偿冷安装方式都能保证不出现循环塑性破坏；当埋深在1米以下时，还能保证不出现整体失稳。由于一般的热网都可满足上述条件，故从直管段强度的角度，采用无补偿冷安装方式是没有问题的。但是，从保护三通、弯头、折角、大小头和阀门等薄弱部件以及减小固定墩推力的角度，有时在局部管段还要采用设置补偿装置的有补偿安装方式。至于预应力安装方式，由于只能解决稳定性的问题，而通过增加覆土深度或设置补偿装置解决稳定性问题，通常会更经济一些。

6 直埋供热管道的施工安装

直埋管道中的应力是热胀变形不能完全释放而产生的。因此，通过选择不同的安装方式，可以改变热胀变形的大小和变形的释放程度，进而改变管道的应力水平。热胀变形的大小与零应力状态对应的温度有关，零应力状态温度的提高，可降低热胀变形的大小。根据此温度是否等于安装时的环境温度，管道可分为两种。冷安装：零应力状态对应的温度等于安装时的环境温度。预应力安装：零应力状态对应的温度等于预热温度。根据热胀变形能否释放，管道又可分为两种。无补偿安装：两固定墩之间或远离补偿装置而处于锚固状态的管道(锚固段)，其热胀变形不能被补偿装置所吸收。有补偿安装：补偿装置附近处于滑动状态的管道(滑动段)，其热胀变形能被补偿装置所吸收。

总之，城镇供热管道采用预制保温管直埋敷设，具有显著的社会效益、经济效益、节能效益。对供热管网直埋敷设设计与施工的研究，是供热管网能够安全的运行，增加使用寿命，降低供热成本，提高经济效益的理论支持，更是城镇集中供热管网直埋敷设得以广泛使用和推广的有力保证。

[1]王飞，张建伟.直埋供热管道工程设计[M].中国建筑工业出版社.2006.

[2]CJJ34-2002，城市热力网设计规范[S].