直埋供热管道敷设方式节能性分析

张朝伟

（天津海运职业学院 天津 300350）

城市供热管网的敷设方式按管网敷设位置分为地上敷设与地下敷设。地上敷设即为架空敷设，是将供热管道敷设在地面上的独立支架或者建筑物上，此种敷设方式结构简单、便于维修、工程造价低，但管网热损失相对较大，而且不美观。因此，我国目前城市供热管网普遍采用地下敷设方式，地下敷设方式分为地沟敷设与直埋敷设。地沟敷设是将管道敷设在地沟中，管道本身不承载外界荷载，但地沟敷设方式需砌筑地沟，土建工程量较大，工程造价高，施工周期长。直埋敷设是将管道直接埋设于土壤中，无需砌筑地沟，与地沟敷设方式相比具有工程造价低，占地少、施工快的优势，同时由于采用聚氨酯硬质泡沫塑料作为保温层和高密度聚乙烯材料作为管道保护壳，又具有热损失小，防腐性能好，使用寿命长的优点。因此在我国直埋敷设方式已经取代地沟敷设方式，成为城市供热管网的主要敷设方式。

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的应力大小，按照管道应力计算规则，可分为由管道中工作压力和自重产生的一次应力，由热胀冷缩受外力约束时产生的二次应力即热应力，以及承受一次应力和二次应力的直管道向管道不连续处的管件如弯头、三通、变径处释放变形，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其能否安全运行的最重要因素。

直埋管段的应力验算方法有两种，即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。这种分析方法认为管道只能在弹性状态下工作，不允许出现塑性变形，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。按此方法计算，管道容许有限量的塑性变形，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》采用弹塑性分析法进行管道应力验算。

两种应力验算方法均可采用求出管道在锚固条件下满足应力验算条件的最大允许温差的方式进行简化验算。即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，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。两种分析法下最大允许温差见下表1。

表1 弹性分析法与弹塑性分析法计算控制最大温差对比

可以看出在同一工作压力、同一管径的供热管道在弹塑性分析法下的最大允许控制温差比弹性分析法下最大允许控制温差高得多，所以在弹塑性分析法下认为大多数情况的供热管道能够在不安装补偿装置的情况下安全运行，这就是安定性分析原理的最大特点。弹塑性分析法已经得到了北欧一些供热技术先进国家认可并进行采用。

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

是指在通过管道应力验算后不能满足强度与稳定性要求时，在管道上设置补偿器的方式吸收管道由热胀冷缩产生的热应力。

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。其中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防止供热管道升温时产生热应力的作用而引起管道变形或破坏。但增设补偿器也有其不可避免的弊病，首先由于增设补偿器，增加了供热管网的初投资。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，没有必要使整个管网都处于有补偿管段，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

是指在通过管道应力验算后能够满足强度与稳定性要求时不增设补偿装置，使管道处于无补偿管段的敷设方式。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，既保证管道可以安全运行，又比有补偿敷设节约初投资15%左右，同时运行维护工作量大大减少，管道由于补偿器处发生的事故率也大大降低。

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，这样在管道安装时管道处于零应力状态，在管道运行时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之后再进行回填，安装时的预热过程使管道通过热伸长提前释放热伸长量，从而降低管道在运行时的轴向应力，从而提高管道运行时的稳定性和安全性。

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 冷安装方式在自然环境温度下进行管道敷设，t0为安装温度，t1为运行最高温度，温度随时间变化成线性增长，如图1（a）；预应力安装方式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 无补偿敷设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，管道全部处于无补偿状态，随着温度的升高，管道内应力逐步升高，到运行最高温度t1，管道内应力为σ1=αE(t1-t0)，如图2（a）。而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过程管道应力为零。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。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

通过以上对直埋供热管道敷设方式的对比分析，在满足管道应力验算的基础采用预应力安装的无补偿敷设方式，既减少管网补偿装置的初投资，又可减少管网的危险点，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和稳定性以及长期的使用寿命。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。

[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,2007．

[2]CJJ/T81-98城镇直埋供热管道工程技术规程[S]．

[3]CJJ34-2010城镇供热管网设计规范[S]．