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摘要：通过对影响管道温度应力的因素分析可以知道，在满足冷安装的条件下应该积极的采用冷安装方式，但是从管道运行安全的角度考虑，对于大管径、大温差的管道应该采用预热的方式及有补偿的方式进行敷设。本文结合笔者多年工作经验对直埋管道质量问题进行了分析，对不同直埋管道敷设方式进行了探讨，以期为相关人员提供借鉴。
关键词：直埋 供热 管网 设计 施工
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
正文：
供热管道直埋技术就是将预制的保温管道直接埋入地下，利用管道自身的机械强度及其附件来共同承受管道供热时产生的热应力的一项技术。 经过多年的实践与发展，为满足供热系统运行的安全可靠，同时尽量减少投资和维护方便，目前供热管道存在多种的敷设方式。
供热管道直埋敷设方法在工程中的使用已有几十年的历史了。供热管道直埋敷设技术的发展是随着直埋管道的保温材料的发展而发展的。早期直埋管道的保温基本上采用填充式及浇灌式两种方法, 填充式保温材料一般采用泥煤，但泥煤具有导热系数大, 易自然及保温性能逐渐降低的缺点。浇灌式保温材料采用泡沫混凝土，而泡沫混凝土又存在着吸水率大的特点。保温性能极易遭到地下水及地表水渗透的破坏, 所以這两种方式很少在工程中应用。
由于直埋敷设相对于管沟敷设在施工安装及运行管理上的优势十分明显,因此很多设计单位根据业主的要求尝试突破《规程》的限制,对公称直径大于500 mm的直埋热水供热管道(以下简称大管径管道)也采用直埋敷设方式。最初,只是少数设计单位进行有补偿方式的设计,随着设计及实践经验的积累,很多设计单位又进一步尝试无补偿预热甚至冷安装的直埋设计。据了解,大多数设计单位在大管径管道直埋设计时套用《规程》提供的计算方法,但《规程》提供的计算方法只适用小管径管道,对于大管径管道依然执行《规程》是否可行,在设计中应注意哪些问题还值得探讨。
1 直埋热水供热管道应力设计方法
直埋热水供热管道应力验算的失效准则,已由最初的弹性分析、极限分析发展到应力分类分析。这一点在SDGJ6-90《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定》中有明确的界定,而《规程》与《区域供热手册》[1](以下简称《手册》)也都应用应力分类法进行直埋热水供热管道的设计和强度验算。
应力分类法的主要特点是将管道上的应力分为一次应力、二次应力和峰值应力,并采用相应的应力验算条件。管道内压和持续外载作用产生的应力属于一次应力,它取决于静力平衡条件。如果一次应力超过了极限状态,管道就会产生无限塑性流动,导致爆裂或断裂,故一次应力采用弹性分析或极限分析。管道由于位移产生的应力属于二次应力,这是由于管道热胀冷缩等变形受约束而产生的应力,当部分材料超过屈服极限时,由于产生少量的塑性变形,变形协调得到满足,变形不再继续发展,它具有变形自限的特点,采用安定性分析进行应力验算,其允许的最大弹性应力变化范围是屈服极限的2倍。在管道局部不连续处产生的应力集中称为峰值应力,它不会引起管道的显著变形,但循环变化的峰值应力会导致管道的局部疲劳破坏。峰值应力的验算主要针对三通、弯头等局部应力集中处,根据供热管道整个使用期所受循环荷载进行疲劳分析,并计入应力加强系数进行验算。
2.直埋管道质量问题分析
2.1整体失稳。直埋管道在运行工况下的轴向压力最大，由于压杆效应，可能会引起管线的整体失稳。特别是对于温升较大的无补偿冷安装方式，温升作用完全转化为很高的轴向压力，极易出现整体失稳破坏。对此，CJJ/T104-2003《城镇直埋供热管道技术规程》中有详细的公式计算，满足其计算就可保证 DN300 以下的管道整体不出现失稳情况。
2.2高循环疲劳破坏。车辆重量通过车轮和土壤，可作用在车行道下的管道上，使管道局部截面产生椭圆变形，相应的会产生应力集中。
2.3循环塑性变形。在加热过程中，管壁因轴向压应力而产生轴向压缩塑性变形；而冷却时，管壁因轴向拉应力而产生轴向拉伸塑性变形；当温差超过一定范围后，将会出现管道破坏的现象。
2.4低循环疲劳破坏。应力集中通常发生在管线中的弯头、三通、大小头及折角处。在温度变化过程中，应力集中在管道结构不连续处产生的峰值应力，会引起管道的疲劳破坏。
3.直埋管道敷设方式的探讨与选择
以热源供水温度为 130 ℃，回水温度为 70 ℃；安装的环境温度为 10 ℃，管道规格为 Φ1020×10为例，探讨比较典型管道的几种敷设设计方式。
3.1无补偿冷安装方式
由于土壤摩擦力的存在，管道将存在锚固段、滑动段。当管道处于锚固段时，热胀应力全部转化为温度应力，使管道在运行工况下承受较高的轴向压力。所以锚固段管道的最大压应力与最大温度变化成正比；当管道处于滑动段时，热胀应力不能全部转化为温度应力，管道将受热伸长。管道在无补偿冷安装方式下，其受力及管道伸长情况示意见图 1。
计算实例中管道锚固段轴向热应力为
Σ=Δt×E×α=（130-10）×200 000×0.000 012 2=292.8 MPa （1）
管道局部屈服的轴向临界应力：
Σer=0.062 5×E×δn/Rm=245 MPa （2）
式中：σ 为轴向热应力，MPa；σer为管道局部屈服的轴向临界应力，MPa；Δt 为管道运行的最高温度（t1）与安装温度之差 （t0），℃ ；E 为钢管的弹性模量 ，MPa；α 为钢材的线膨胀系数，m/m.c；δn为钢管实际壁厚，mm；Rm为圆筒的平均半径，mm。
由计算得，管道的轴向热应力小于 3 倍许用应力值， 但是大于管道的局部屈服轴向临界应力，所以不能满足局部屈服的条件。因此无补偿冷安装方式由于管壁局部屈服的危险限定了冷安装的温度上限，只有在低于一定温度条件下采用冷安装才是安全的。
由（1）、（2）计算公式推导出：
t1=σ/（E×α）+t0=σer/（E×α）+t0＝110 ℃
由此可知在此条件下管道的最高运行温度为110 ℃。
同时为满足管道局部不失稳的情况下需校核管道的壁厚
σer＝0.062 5×E×δn/Rm所以 Rm＜40.1 δn即 δn＞12.7 mm
得出无补偿冷安装对于大管径的管道壁厚要求比较高。
3.2 敞沟预热安装方式
预热是管道平均应力为零时的温度，这个温度称为循环中间温度，以 Tm表示。
Tm＝0.5×（t1+t2）
式中：t1为管道运行的设计供水温度，℃；t2为管道运行的设计回水温度，℃；Tm为循环中间温度,℃。
预热管道的位移量θ=α×（Tm-ti）×Lpr式中：ti为预热管道的环境温度，℃；Tm为预热温度，℃；Lpr为预热管道长度，m。
由于管道预先有了预应力，使管道的最大热位移小于冷安装的首次热位移。
通过计算预热安装的锚固段的管道最大压应力与最大温度变化之半成正比：
Σ=0.5×Δt×E×α=60×200 000×0.000 012 2=146.4 MPa
由此可见预热安装的最大压应力为冷安装最大压应力的一半，管壁的局部屈服的危险性降低了，这样就有利于大口径管道的安装。但是与无补偿冷安装相同，其管道的最大压应力与最大的温度变化有关，所以也存在一个运行的最高温度值。预热安装管道受力及管道伸长情况示意见图 2。
由（1）、（2） 计算公式能推导出：
t1=σ/（E×α）+t0
假定安装的环境温度为 10 ℃，σ 取极限值，即3 倍许用应力值，许用应力按照 125 MPa 计算。 则供热管道的最高工作温度为 143.6 ℃；而此时管道的最大压应力为σ＝0.5×Δt×E×α=71.5×200 000×0.000 012 2=174.5 MPa
所以敞沟预热方式对大管径或小管径的供热管道普遍适用。同时为满足管道局部不失稳的情况下需校合管道的壁厚：
σ＝0.062 5×E×δ/Rm
所以 Rm＜71δ，即 δ＞0.007 18 m得出，预热安装时管道的壁厚也比冷安装的要
求较低。
4. 对大口径管道保温中玻璃钢外护层的优势
对管道保温成型，玻璃钢外护和聚乙烯外护同属两步法，但两者工艺不同。前者是先在工作钢管外表面扣摸发泡，然后再在泡沫保温层的外表面缠绕玻璃钢外护层。后者则是先制作聚乙烯套管，再把它套到工作钢管外，在形成的环形间浇注泡沫保温层。
由于工艺不同，玻璃钢外护除了可以避免聚乙烯在制作套管和“管中管”发泡中出现的弊病外，而且具有下列优势：①玻璃钢外护与聚氨酯同属于极性材料，有良好的粘结性能，可以实现工作管—保温层—外护层三位一体。据北京鼎超公司委托北京质检单位对Φ1020玻璃钢外护层聚氨酯泡沫塑料保温管剪切强度的实际测试，其轴向剪切强度高于CJ/T114和CJ/T129两标准的要求(0.12Mpa)。②玻璃钢外护保温管可分段扣摸发泡，不仅泡沫密度均匀，而且避免了注泡时间过长，影响泡沫塑料的性能。③可以不加或少加支承环或支承块，减少或避免了冷桥对外护层寿命的影响。而且玻璃钢的耐温性高于高密度聚乙烯,偶遇冷橋，也不会影响玻璃钢的性能和寿命。④玻璃钢外护属开放式作业，便于对各工序做质量检查。例如“管中管”的发泡是否泡满，有否孔洞，很难检查。而玻璃钢外护系扣摸发泡，拆摸后一目了然。
关于现场保温补口问题，以前人们对玻璃钢的可靠性比较担心。通过近几年的攻关，技术有了发展，并已在高地下水位地区的大口径120℃高温水保温管工程应用考验，证明是成功的。
高密度聚乙烯外护对大口径管道的现场补口质量问题，到是成了问题。热熔接聚乙烯补口对中小口径管道效果较好，但对大口径管道，由于聚乙套袖壁厚、发硬，如遇稍有变形，熔接时，很难使套袖与母管聚乙烯两张皮紧贴粘牢。
5.结语
随着我国工业化的发展和城市化进程的加快，集中供热成为供热行业的主流，城市供热面积的扩大，供热管网直埋敷设的长度、管径也随之增大，管网投资占总投资的比重相应增大。 因此直埋管道的敷设方式将直接影响供热投资和管网的运行安全经济，成为供热行业的重要课题。
参考文献
［1］ 许勤勤.热力管道无补偿直埋敷设的设计 ［J］. 医药工程设计,1998（》）.
［2］ 汤蕙芬，范季贤．热能工程设计手册［M］．
［3］ 陈学营.大口径高温水直埋管道温度应力控制方法 ［J］．区域供热，2004，2．
［4］ 哈尔滨建筑工程学院.供热工程［M］.北京：中国建筑工业出版社,198《．
［5］ CJJ/T81-98 城镇直埋供热管道工程技术规程［S］. 北京：中国建筑工业出版社，1998.
关键词：直埋 供热 管网 设计 施工
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
正文：
供热管道直埋技术就是将预制的保温管道直接埋入地下，利用管道自身的机械强度及其附件来共同承受管道供热时产生的热应力的一项技术。 经过多年的实践与发展，为满足供热系统运行的安全可靠，同时尽量减少投资和维护方便，目前供热管道存在多种的敷设方式。
供热管道直埋敷设方法在工程中的使用已有几十年的历史了。供热管道直埋敷设技术的发展是随着直埋管道的保温材料的发展而发展的。早期直埋管道的保温基本上采用填充式及浇灌式两种方法, 填充式保温材料一般采用泥煤，但泥煤具有导热系数大, 易自然及保温性能逐渐降低的缺点。浇灌式保温材料采用泡沫混凝土，而泡沫混凝土又存在着吸水率大的特点。保温性能极易遭到地下水及地表水渗透的破坏, 所以這两种方式很少在工程中应用。
由于直埋敷设相对于管沟敷设在施工安装及运行管理上的优势十分明显,因此很多设计单位根据业主的要求尝试突破《规程》的限制,对公称直径大于500 mm的直埋热水供热管道(以下简称大管径管道)也采用直埋敷设方式。最初,只是少数设计单位进行有补偿方式的设计,随着设计及实践经验的积累,很多设计单位又进一步尝试无补偿预热甚至冷安装的直埋设计。据了解,大多数设计单位在大管径管道直埋设计时套用《规程》提供的计算方法,但《规程》提供的计算方法只适用小管径管道,对于大管径管道依然执行《规程》是否可行,在设计中应注意哪些问题还值得探讨。
1 直埋热水供热管道应力设计方法
直埋热水供热管道应力验算的失效准则,已由最初的弹性分析、极限分析发展到应力分类分析。这一点在SDGJ6-90《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定》中有明确的界定,而《规程》与《区域供热手册》[1](以下简称《手册》)也都应用应力分类法进行直埋热水供热管道的设计和强度验算。
应力分类法的主要特点是将管道上的应力分为一次应力、二次应力和峰值应力,并采用相应的应力验算条件。管道内压和持续外载作用产生的应力属于一次应力,它取决于静力平衡条件。如果一次应力超过了极限状态,管道就会产生无限塑性流动,导致爆裂或断裂,故一次应力采用弹性分析或极限分析。管道由于位移产生的应力属于二次应力,这是由于管道热胀冷缩等变形受约束而产生的应力,当部分材料超过屈服极限时,由于产生少量的塑性变形,变形协调得到满足,变形不再继续发展,它具有变形自限的特点,采用安定性分析进行应力验算,其允许的最大弹性应力变化范围是屈服极限的2倍。在管道局部不连续处产生的应力集中称为峰值应力,它不会引起管道的显著变形,但循环变化的峰值应力会导致管道的局部疲劳破坏。峰值应力的验算主要针对三通、弯头等局部应力集中处,根据供热管道整个使用期所受循环荷载进行疲劳分析,并计入应力加强系数进行验算。
2.直埋管道质量问题分析
2.1整体失稳。直埋管道在运行工况下的轴向压力最大，由于压杆效应，可能会引起管线的整体失稳。特别是对于温升较大的无补偿冷安装方式，温升作用完全转化为很高的轴向压力，极易出现整体失稳破坏。对此，CJJ/T104-2003《城镇直埋供热管道技术规程》中有详细的公式计算，满足其计算就可保证 DN300 以下的管道整体不出现失稳情况。
2.2高循环疲劳破坏。车辆重量通过车轮和土壤，可作用在车行道下的管道上，使管道局部截面产生椭圆变形，相应的会产生应力集中。
2.3循环塑性变形。在加热过程中，管壁因轴向压应力而产生轴向压缩塑性变形；而冷却时，管壁因轴向拉应力而产生轴向拉伸塑性变形；当温差超过一定范围后，将会出现管道破坏的现象。
2.4低循环疲劳破坏。应力集中通常发生在管线中的弯头、三通、大小头及折角处。在温度变化过程中，应力集中在管道结构不连续处产生的峰值应力，会引起管道的疲劳破坏。
3.直埋管道敷设方式的探讨与选择
以热源供水温度为 130 ℃，回水温度为 70 ℃；安装的环境温度为 10 ℃，管道规格为 Φ1020×10为例，探讨比较典型管道的几种敷设设计方式。
3.1无补偿冷安装方式
由于土壤摩擦力的存在，管道将存在锚固段、滑动段。当管道处于锚固段时，热胀应力全部转化为温度应力，使管道在运行工况下承受较高的轴向压力。所以锚固段管道的最大压应力与最大温度变化成正比；当管道处于滑动段时，热胀应力不能全部转化为温度应力，管道将受热伸长。管道在无补偿冷安装方式下，其受力及管道伸长情况示意见图 1。
计算实例中管道锚固段轴向热应力为
Σ=Δt×E×α=（130-10）×200 000×0.000 012 2=292.8 MPa （1）
管道局部屈服的轴向临界应力：
Σer=0.062 5×E×δn/Rm=245 MPa （2）
式中：σ 为轴向热应力，MPa；σer为管道局部屈服的轴向临界应力，MPa；Δt 为管道运行的最高温度（t1）与安装温度之差 （t0），℃ ；E 为钢管的弹性模量 ，MPa；α 为钢材的线膨胀系数，m/m.c；δn为钢管实际壁厚，mm；Rm为圆筒的平均半径，mm。
由计算得，管道的轴向热应力小于 3 倍许用应力值， 但是大于管道的局部屈服轴向临界应力，所以不能满足局部屈服的条件。因此无补偿冷安装方式由于管壁局部屈服的危险限定了冷安装的温度上限，只有在低于一定温度条件下采用冷安装才是安全的。
由（1）、（2）计算公式推导出：
t1=σ/（E×α）+t0=σer/（E×α）+t0＝110 ℃
由此可知在此条件下管道的最高运行温度为110 ℃。
同时为满足管道局部不失稳的情况下需校核管道的壁厚
σer＝0.062 5×E×δn/Rm所以 Rm＜40.1 δn即 δn＞12.7 mm
得出无补偿冷安装对于大管径的管道壁厚要求比较高。
3.2 敞沟预热安装方式
预热是管道平均应力为零时的温度，这个温度称为循环中间温度，以 Tm表示。
Tm＝0.5×（t1+t2）
式中：t1为管道运行的设计供水温度，℃；t2为管道运行的设计回水温度，℃；Tm为循环中间温度,℃。
预热管道的位移量θ=α×（Tm-ti）×Lpr式中：ti为预热管道的环境温度，℃；Tm为预热温度，℃；Lpr为预热管道长度，m。
由于管道预先有了预应力，使管道的最大热位移小于冷安装的首次热位移。
通过计算预热安装的锚固段的管道最大压应力与最大温度变化之半成正比：
Σ=0.5×Δt×E×α=60×200 000×0.000 012 2=146.4 MPa
由此可见预热安装的最大压应力为冷安装最大压应力的一半，管壁的局部屈服的危险性降低了，这样就有利于大口径管道的安装。但是与无补偿冷安装相同，其管道的最大压应力与最大的温度变化有关，所以也存在一个运行的最高温度值。预热安装管道受力及管道伸长情况示意见图 2。
由（1）、（2） 计算公式能推导出：
t1=σ/（E×α）+t0
假定安装的环境温度为 10 ℃，σ 取极限值，即3 倍许用应力值，许用应力按照 125 MPa 计算。 则供热管道的最高工作温度为 143.6 ℃；而此时管道的最大压应力为σ＝0.5×Δt×E×α=71.5×200 000×0.000 012 2=174.5 MPa
所以敞沟预热方式对大管径或小管径的供热管道普遍适用。同时为满足管道局部不失稳的情况下需校合管道的壁厚：
σ＝0.062 5×E×δ/Rm
所以 Rm＜71δ，即 δ＞0.007 18 m得出，预热安装时管道的壁厚也比冷安装的要
求较低。
4. 对大口径管道保温中玻璃钢外护层的优势
对管道保温成型，玻璃钢外护和聚乙烯外护同属两步法，但两者工艺不同。前者是先在工作钢管外表面扣摸发泡，然后再在泡沫保温层的外表面缠绕玻璃钢外护层。后者则是先制作聚乙烯套管，再把它套到工作钢管外，在形成的环形间浇注泡沫保温层。
由于工艺不同，玻璃钢外护除了可以避免聚乙烯在制作套管和“管中管”发泡中出现的弊病外，而且具有下列优势：①玻璃钢外护与聚氨酯同属于极性材料，有良好的粘结性能，可以实现工作管—保温层—外护层三位一体。据北京鼎超公司委托北京质检单位对Φ1020玻璃钢外护层聚氨酯泡沫塑料保温管剪切强度的实际测试，其轴向剪切强度高于CJ/T114和CJ/T129两标准的要求(0.12Mpa)。②玻璃钢外护保温管可分段扣摸发泡，不仅泡沫密度均匀，而且避免了注泡时间过长，影响泡沫塑料的性能。③可以不加或少加支承环或支承块，减少或避免了冷桥对外护层寿命的影响。而且玻璃钢的耐温性高于高密度聚乙烯,偶遇冷橋，也不会影响玻璃钢的性能和寿命。④玻璃钢外护属开放式作业，便于对各工序做质量检查。例如“管中管”的发泡是否泡满，有否孔洞，很难检查。而玻璃钢外护系扣摸发泡，拆摸后一目了然。
关于现场保温补口问题，以前人们对玻璃钢的可靠性比较担心。通过近几年的攻关，技术有了发展，并已在高地下水位地区的大口径120℃高温水保温管工程应用考验，证明是成功的。
高密度聚乙烯外护对大口径管道的现场补口质量问题，到是成了问题。热熔接聚乙烯补口对中小口径管道效果较好，但对大口径管道，由于聚乙套袖壁厚、发硬，如遇稍有变形，熔接时，很难使套袖与母管聚乙烯两张皮紧贴粘牢。
5.结语
随着我国工业化的发展和城市化进程的加快，集中供热成为供热行业的主流，城市供热面积的扩大，供热管网直埋敷设的长度、管径也随之增大，管网投资占总投资的比重相应增大。 因此直埋管道的敷设方式将直接影响供热投资和管网的运行安全经济，成为供热行业的重要课题。
参考文献
［1］ 许勤勤.热力管道无补偿直埋敷设的设计 ［J］. 医药工程设计,1998（》）.
［2］ 汤蕙芬，范季贤．热能工程设计手册［M］．
［3］ 陈学营.大口径高温水直埋管道温度应力控制方法 ［J］．区域供热，2004，2．
［4］ 哈尔滨建筑工程学院.供热工程［M］.北京：中国建筑工业出版社,198《．
［5］ CJJ/T81-98 城镇直埋供热管道工程技术规程［S］. 北京：中国建筑工业出版社，1998.