采暖管道直埋敷设技术现状问题探讨达的变化及其意义

2016-02-25夏云龙伊春市教师进修学院黑龙江伊春153000

信息记录材料 2016年6期

夏云龙(伊春市教师进修学院黑龙江伊春 153000)

夏云龙
(伊春市教师进修学院黑龙江伊春 153000)

直埋敷设方式越来越广泛地应用于采暖管道的敷设中。直埋敷设技术的不断积累与发展，供热区域的不断扩大，对直埋管道的受力设计、施工都提出新高度的要求。本文从实践经验和理论自学出发，侧重采暖管道直埋敷设的实际工程特点，对受力设计方法、安装方式的采选和管道失效方式的规避等三方面做以分析，并总结了相应对策，以期加快直埋敷设技术的发展，取得社会效益。

采暖管道直埋敷设;受力设计;安装方式;失效方式

1.管道直埋敷设技术现状

采暖管道敷设方法一般有三：地上敷设、管沟敷设和直埋敷设。比较而言，直埋敷设更具优势：占地少、施工时间短、维护量少、成本低、寿命长等。已成为我国管道敷设中最常用的敷设方式。

目前，业界对直埋管道受力设计的原则虽不一致，但大都避免有补偿安装，而只在局部薄弱部件处进行补偿保护。主要按《规程》中的方法来进行直埋管道的受力计算。《规程》为直埋敷设管道的受力设计统一了标准，使国内的直埋敷设管道受力设计规范化，对直埋敷设的一些设计参数进行了限制，明确指出，《规程》适用于供热介质温度小于或等于150℃，公称直径小于或等于500mm的钢质内管、保温层、保护外壳结合为一体的预制保温直埋热水管道。一些厂家的设计手册也给出了直埋敷设管道的受力设计方法。

近年，直埋敷设热水管道多需大直径、高压力管道，原适用的小直径管道设计方法和公式亟需改进。同时，直埋敷设技术发展，大直径管道的无补偿安装、薄弱部件加强等技术的应用日趋广泛。

2.直埋敷设中存在的问题与对策

2.1 直埋管道受力设计方法与适用范围

问题包括：

《规程》中给出的直埋管道受力设计方法适用于供热介质温度不大于150℃，公称直径不大于DN500mm的一体型预制保温管。而现在的管道规格已经达到公称直径DN1000mm；管道的工作压力也很高，一些工程已经使用了工作压力2.5MPa的管道的无补偿冷安装直埋敷设。

《规程》和厂家设计手册中给出的公式和图表，多是对较低工作压力、较小直径管道的简化结果，对于大直径、较高工作压力的管道的受力设计还有待商榷。

《规程》对于固定墩推力的计算，是基于粉质粘土或砂质粉土的情况，并按照一定的摩擦力下降规律给出的。没有考虑土壤特性及摩擦力的不同情况。

解决对策是，以现有的管道受力设计方法为基础，深入分析其公式、原理，重点考虑大直径管道的设计要点。

例如：在进行地下直埋管道受力设计中，《规程》给出的单位管长摩擦力的计算公式为：

F＝πρgμ(H+Dk/2)Dk

式中 F—轴线方向每米管道的摩擦力，N；

μ—土壤与管道之间的摩擦系数；

H—管顶覆土深度；当H≥1.5m时，H取1.5m；

Dk—预制保温管外壳的外径，m。

大直径管道的自重对摩擦力的影响较大，建议在计算单位管长摩擦力时考虑自重的影响：

F＝πρgμ(H+Dk/2)Dk+μG

式中 G—单位管重（包括流动介质），N。

如果进行直埋管道的受力设计时不区分管道直径的大小，其计算结果可能不合理，容易造成工程隐患。

2.2 直埋敷设安装方式的适用条件

直埋敷设安装方式：按照管段是否有补偿，分为无补偿安装和有补偿安装；按照是否进行预应力，分为冷安装和预应力安装。对直埋敷设的安装方式虽有详尽的分析，但在实际的工程中的选择还有些混乱。安装方式的不合理易引起能源、管材的浪费，以及管路系统的潜在危险。

解决对策是，必须明确，不同的安装方式对应着其所能解决的不同的管道失效方式，不同的失效方式所关注的管道的特征参数不同。换言之，为解决一定的管道失效方式，应根据引起该失效方式的管道的特征参数，进行调控，而管道的特征参数的取值不同，就形成了不同的直埋敷设的安装方式。这也是划分不同的直埋敷设安装方式的原则。

例如：管道的循环塑性变形破坏，是由于管道在运行最高温度T1和最低温度T2之间进行循环工作时，管道发生循环塑性变形而产生的一种管道失效方式。这种失效方式对应的温度特征参数是管道工作循环最高温度和循环最低温度之差T1－T2。为了避免这种失效方式的产生，就应该对T1－T2进行限制，使其小于产生循环塑性变形的允许温差。当T1－T2不能满足要求时，就应该采用其他方法来减小管道的应力和应变，使其满足要求，即可以对管道进行补偿，使管道处于有补偿状态。从以上的分析可见，管道的有补偿安装方法可以解决管道的循环塑性变形问题，其对应的特征参数是T1－T2。而另一种直埋敷设安装方式——预应力安装方式是在管道运行前对管道的受力状态进行的一种预处理，即提高管道的整体焊接温度T0，并没有改变管道运行的循环最高温度T1和循环最低温度T2，可见预应力安装方式不能解决管道的循环塑性变形失效。

明确直埋敷设各种安装方式的适用条件，就可以针对不同的管道情况采取相应的安装方式，控制其对应的特征参数，保证管道安全、合理运行。

2.3 对大直径管道失效方式的研究不足

管道所涉及的失效方式主要包括以下几种：

无限制塑性变形：指的是管道的无限制塑性流动变形。

循环塑性变形：管道温度在工作循环最高温度和最低温度之间变化时，管道的变形就相应的在最大和最小、或者压缩塑性变形和拉伸塑性变形间循环变化，这样就容易产生循环塑性破坏。运行压力越高、循环温差越大，越容易产生循环塑性变形。

低循环疲劳破坏：管道结构不连续处会产生相对于管道其他部分较大的应力，温度的循环变化使得应力循环变化，引起管道的疲劳破坏。由于温度的变化频率较低，所以由温度变化引起的疲劳破坏称作低循环疲劳破坏。

高循环疲劳破坏：由于车辆等的通过，其作用力会使管道产生应力集中。因为车辆荷载出现的频率较高，所以称之为高循环疲劳破坏。对于大直径的直埋敷设，这种变形较易发生。

管道的失稳分为整体失稳和局部失稳。管道的整体失稳分为垂直失稳水平失稳。

由于管道的升温轴向力的压杆效应会使管道变弯，管段中产生较大的弯矩，从而引起垂直失稳（竖向失稳）。

采暖管道投入运行后，在管线附近平行开沟时，土壤侧向的支撑作用减弱，极易产生管道的整体水平失稳。

目前在设计时只验算垂直失稳，而不验算水平失稳，即未考虑管道运行后的失效情况。

局部失稳：管路附件和承受高轴向压力的管道也存在着失稳的可能性，称作局部失稳。

阀门的破坏：阀门由于受轴向应力而变形破坏或者失效，都会导致管道的失效。

从以上几种失效方式产生的机理来看，管道中发生不同失效方式的位置和情况都有所不同。直管以及不同的管路附件（直管、三通、弯头、阀门等）对应着各自不同的失效方式。而现行的直埋管道受力设计方法中只考虑了其中部分的失效方式，是对小直径管道等设计条件下管道应力分析的一种简化。例如：《规程》中对于直管的受力设计只考虑了无限制塑性变形破坏、整体垂直失稳和循环塑性变形，未考虑局部失稳破坏。对于大直径、较高工作压力的管道，必须考虑管道的局部失稳破坏。

随着直埋管道规模的不断扩大，在实际的受力设计中，应考虑大直径管道受力特点，根据具体的情况，选择相应的管道失效方式进行分析和验算，才能保证管道受力设计的合理、工程的运行安全。