大管径直埋供热管道受力与稳定性分析

2022-04-25达福云

甘肃科技纵横 2022年2期

达福云

摘要：随着我国社会经济实力的全面提升，冬季供热面积也在逐渐增加，尤其是北方地区，城市面临热负荷的快速增长和热源短缺的矛盾，为了尽早实现“碳中和、碳达峰”目标，要充分挖掘主城区周边电厂的余热，形成以电厂余热为主，天燃气，电能等辅助调峰的清洁热源结构。利用电厂余热实施大温差长输管线供热方式，致力于实现供热的绿色与集中化及安全化目标。但是随着对热力管道技术参数的要求增高，选择合适的热力管道来满足不同地质条件的需求，便成为现阶段供热企业需要重点关注的问题。文章以此为背景，对大管径的直埋供热管道受力和稳定性进行分析，以实际案例为基础详细阐述了无补偿直埋敷设的应用，以便为后续工程设计提供一定的思路。

关键词：大管径；供热管道；受力；无补偿直埋敷设；稳定性

中图分类号：TU833.1文献标志码：A

0前言

如今供热规模和面积的增加导致供热管道敷设形式多元化的程度也在逐渐增加，供热设备也变得多样化，导致供热管道其本身的管径和运行压力都会发生一定的变化。现阶段所运行的长输管线热力管网中，最大的管径已经超出了DN1400，最高工作压力可以达到2.5 MPa。且为了减少这些管网占用城市空间的面积与施工周期，降低工程施工造价，大管径的热力管道成为目前供热管网设计的最佳选择[1]。虽然目前我国在大管径管道的应用上有着一定的使用经验，对于架空和地沟类别的管线而言已经可以满足其技术施工需求，但是对于无补偿直埋敷设的研究却略显不足。因此文章以实际案例为基础，探讨大管径直埋供热管道受力和稳定性相关内容，希望能够为相关工程设计与建设提供一定的思路和方法。

1无补偿直埋敷设技术相关概述

1.1无补偿直埋敷设技术发展

预制直埋保温技术起源于1960年，该项技术由北欧地区率先研究和发展，而我国最早应用预制直埋保温技术是在1980年。该项技术最初应用时主要是基于弹性变形分析法，目的是为了能够有效保证热水管道弹性变形可以处于正常范围内，也就是处于弹性状态中。通常情况下管道直管段主要采用的是热补偿装置，使用预热以及采用一次性補偿器的安装方法。直到20世纪90年代，该项技术经过30年的发展后，北欧国家逐渐关注直埋热水管道温度应力，发现单一使用弹性分析法已经无法满足管道应用要求，之后提出了采用应力分类法计算直埋热力管道强度计算[2]。1994年北欧国家颁布了关于无补偿直埋的地区标准以及配套解释标准，这在一定程度上明确和规定了对直埋热水管道设计中需要应用应力分类法。我国当下采用的关于热水管道直埋规定主要是借鉴北欧国家标准设定的。

1.2无补偿直埋敷设技术选择原则

文章第1部分提及在针对直埋供热管网设计过程中需要采用应力分类法进行应力计算。其中，应力分类法主要是以不同特性的荷载形成的应力形态以及内外因素对管道形成的破坏的影响对处于不同形态的管道应力进行不同的数值限定。在应力分类法中主要分为一次应力、峰值应力和二次应力[3]。目前，在进行大管径直埋供热管道设计中应用无补偿冷安装直埋敷设技术不但可以有效降低补偿器的应用数量，同时还可以减少固定墩的使用，最大程度减少系统中危险点，提升管道使用的安全性和可靠性，在节约施工资金的同时保障施工质量。因此，在满足强度和管道稳定性的前提下需要优先选择无补偿冷安装技术。

2实际案例分析

2.1工程概况

某工程（下文统称本工程）供热面积共计为1500m2，总长度为100 km，总供热负荷达到了880 MW，其中一次热水网管设计中供水温度为130℃，回水温度为70℃，设计管网压力为1.6 MPa，本工程中最大管径为DN1400。工作人员在进行管道设计过程中采用无补偿直埋敷设冷安装技术。

2.2大管径直埋供热管道无补偿直埋敷设工作内容

进行大管径直埋供热管道设计中应用无补偿直埋冷敷设时主要考虑的内容包括直管段应力计算、管道局部失稳计算以及弯头、三通、变径等管件的强度计算和固定墩等设计。

当管道最高温度与安装问题之间的差值与允许差值相比更小时，即直管道当量应力变化低于3倍许用应力时则表示管道存在允许锚固段，所以不进行补偿器设置，可以实现无补偿冷安装。

2.3局部失稳检验

当管径高于DN500时不但会出现上述破坏方式，同时管道存在的局部失稳以及截面椭圆变形的发生概率也会极大增加，这将会成为大管径直埋管道失效的重要原因，因此在设计过程中应当尤为考虑管道局部失稳[4]。本工程由于管道直径为DN1400，因此需要适当加大管道壁厚，进而避免管道出现局部失稳问题，但是同时还需要注意供回水温度不同的问题。因此本工程根据实际情况选取的管道壁厚见表1所列。

2.4直埋热水管道管件强度分析

2.4.1弯头应力计算

针对本工程弯头应力计算后，在无法满足应力情况下针对弯道采用控制弯臂长度的方式或加大弯曲半径的方式确保补偿弯管具有良好的吸收热胀冷缩能力，同时保护弯管安全。

2.4.2折角计算

与弯头相比，折角所具有的应变吸收能力较小，但是应力水平更高，因此对管道形成的破坏概率也更大。当管道运行时就会促使管道折角处出现过多的环向拉应力积压，造成折角点形成的水平位移更多。

因此，本工程中针对DN500及以下的管道平面折角直接视为直管段，针对单折折角无法满足《规程》的主要采用了多折替代单折的方法。针对管道直径超过DN500管道主要是使用大弯曲半径弯管替代大折角，以此有效规避由于预应力集中造成的局部失稳问题。

2.4.3三通计算

对于主管来说，实施三通可以确保主管道具有良好的安全性，但是三通对于支管来说存在一定的破坏作用[5]。因此为了有效避免分支处出现应力过大问题，本工程主要采用了加强三通的方法，即主管开分支处位移量设定低于50 mm，同时在设计中使用补偿器及固定墩确保位移量。

2.4.4变径管计算

当温度变化与异径管最大温差允许值相比较小时，本工程决定不对异径管采取保护措施；当温度变化与异径管最大温差允许值相比较大时本工程决定使用补偿装置，同时有效控制异径管和补偿装置之间的距离。

2.5竖向设计

在进行直埋供热管道埋设时最小覆土深度需要满足表2要求，如若最小埋深无法达到要求时需采取相关保护措施，例如可以在管道上方加设混凝土板。

另外，由于管道温升轴向力形成的压杆效应会导致管道出现弯曲，管道弯矩较大，最终造成管道垂直方向出现失稳[6]。因此，施工中需增加覆土深度，或者也可以采取在管道上方增加荷载的方式，或者选择使用补偿器，从而有效减少管道轴向力，达到稳定性要求。

3结束语

本论述简要分析了现有大管径直埋供热管道的受力情况和稳定性分析存在瑕疵，但是大体上可对管道整体受力和稳定性作出明确的说明。由此可以了解到，在使用大管径直埋的供热管道时，不仅需要注意其周围土体对其造成的压力导致其稳定性受到影响相关内容，还需要注意管道各个部分可能受到的压力情况，在明确计算的基础上方可选擇适合工程建设的管道类型。另外管道还可能遇到水体的压力作用，本文由于篇幅有限这方面欠缺。希望本文所作出的简要分析能够为相关工程计算供热管道受力和稳定性上提供一些思路和方法。