论文部分内容阅读
【摘 要】 供热管道直埋技术的使用必须要更加的慎重，按照供热管道的直埋技术的施工要点展开，结合供热管道所处的区域特点展开施工，提高施工的质量。
【关键词】 供热管道；直埋技术；分析
一、直埋供热管道的作用及应力特点
温度和压力是热力管道上最主要的两种作用。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，管道强度设计中应主要考虑温度变化产生的循环塑性变形和疲劳破坏。
二、直埋敷设发展现状及其分类
1、直埋敷设发展现状
国内供热直埋管道的受力分析主要采用从国外引进的应力分析法。应力分析法认为根据不同的应力作用形式，管道会发生不同形式的破坏，应采用不同的应力验算方法。1976年北京市煤气热力设计院等五家单位合作在热力管道无补偿直埋敷设试验研究中采用应力分类法进行无补偿的理论研究和现场实测，证实了采用应力分类法理论计算结果的正确性﹕太原理工大学和太原热力公司用三年的时间完成了大直径管道摩擦系数的试验研究。得出结论《城镇直埋供热管道工程技术规程》（CJJ/T81—98）（以下简称《规程》）给出的回填土摩擦系数的取值范围可以适用于大直径管道的直埋敷设管道受力设计计算中。三通、弯头等薄弱部件处的保护措施以及预热方法等技术也在不断的更新。目前国内外对于直埋管道受力的设计原则虽然不完全一致，但是大部分都遵循尽量避免整个管道中有补偿安装，而只在局部薄弱部件处进行补偿保护的原则。鉴于《规程》颁布时直埋敷设的发展状况，《规程》中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。
2、直埋敷设网的分类
首先是无补偿冷安装的直埋敷设。这种技术是通过在管道铺设过程中不加任何预应力，依靠深埋的方法让土壤和管道产生摩擦，从而限制供热管道在受热时候可能产生的热拉长。由于土壤和管道之间存在摩擦，因此管道在铺上过程中会产生锚固段和滑动段两种情况。当供热管道受热时，处于锚固段的部分将热胀应力转变为温度应力，这样就使得管道承受在运行状态下的轴向压力，在计算的过程中，供热管道所受到的压应力和温度的变化是成正比例的。而此时处于滑动段的供热管道则不能全部将热胀应力转变为温度应力，自然而然地管道要随之出现拉长。第二种直埋敷设方式是敞沟预热安装。这种敷设方式下要求对于管道进行预热，准确地说是在回填前对于管道进行加温预热，通过预热温度对于管道运行的不同作用可以将供热管道的补偿器省略并减少工程成本。具体来说就是，当实际操作过程中的供热管道温度恰好等于预热时所加的温度时，管道所受到的应压力为零，而当管道实际所受到的运行温度高于预热温度时管道会产生压应力，而当管道温度回复到正常温度时又会产生拉应力，这种通过温度调节影响管道的敷设方式就是所谓的预应力效果。第三种供热管道的直埋敷设方式是增设补偿器。其中又分为增设一次性补偿器和增设直埋式供热管道补偿器。前者适用于交通繁忙的路段，在维持正常交通的情况下对供热管道进行预热前的填土处理。后者需要设定固定墩，用于直埋敷设供热管道的补偿器的补偿能力必须要超出每两个固定墩之间管道的热伸长量。
三、有补偿直埋敷设和无补偿直埋敷设管道的布置形式
1、有补偿直埋敷设
当采用有补偿直埋敷设时可不考虑管道失稳，隆出地面等问题，所以工程中会尽量浅埋。浅埋敷设可减少土方量，敷设时不设混凝土墩，不仅降低了工程造价，缩短了工期，而且减少了由地下水位高带来的热损失，延长了管材的使用寿命，使后期运行维护管理更加简单、省心。但由于要采用补偿器吸收热位移来降低直管段的温度应力，管道和土壤之间摩擦力产生的应力较大，补偿段长度较短，管网中需设置大量补偿器和固定支座。因此，管网占用空间大，布置形状复杂。
2、无补偿直埋敷设
当供热管道采用无补偿直埋敷设设计时，在工作温度范围内，当管道热伸长受阻产生的温度应力能够满足安定性分析的强度条件时，从管道强度角度考虑在长距离直管段上可不设补偿器。但是对于长距离敷设的直管段，如果允许管道发生塑性变形或轴向应力接近屈服极限，易出现由于材料允许的缺陷或不均匀现象所造成的破坏，如钢管壁厚偏差的影响，因此，需要根据现场条件采取适当的保护措施，可能需要设少量补偿器及固定支座，但总体上系统管网占用空间小，布置形式简单。
四、直埋无补偿冷安装在设计及施工中的注意事项
1、管道沟槽的要求
供热管道直埋无补偿冷安装设计及施工过程中，土方工程是一个重要的环节，直接关系到供热管网施工的质量。供热管网施工土方工程的好多案例显示：部分沟槽开挖在回填土上，沟槽基底未按照设计要求进行处理，将管道直接吊装安装，造成基底不实，致使管道底部不均匀沉降；沟槽开挖过程中，沟槽底部高程校核不好，致使管底不能与沟底紧密接触，造成局部底部悬空；还有在管道对口焊接时，采取抬高管道的方法强制对口焊接，使管底悬空，管道失去均匀支撑。最终造成管道焊口开裂漏水，影响供热管网的安全运行。针对上述问题，包头华源热力有限公司在供热管道直埋无补偿冷安装施工过程中采取了一系列有针对性的措施将进行了解决。
2、管材要求
一次管网的供水设计温度一般为130℃，所以一次网对管道的要求很高，一方面輸送介质温度高，所以要求保温材料要有很好的保温性能及耐温性能采，以避免高温运行情况下保温材料碳化而导致预制保温管失去其固有的性能；另一方面由于输送距离、输送介质温度高需要管道要承受较大压力；再者由于管道直埋，管道热胀冷缩时，保温管高密度聚氯乙烯外壳要承受很大的摩檫力，因此要求外壳与保温层、保温层与钢管都要有很强的结合力，以保证其“三位一体”，同时土壤的压力也要求外壳具有一定的承载能力。基于上述技术要求，包头华源热力有限公司供热管道采用直埋预制保温管，直埋预制保温管由输送介质的钢管（工作管）、聚氨酯硬质泡沫塑料（保温层）、高密度聚乙烯外套管（保护层）紧密结合而成。直埋预制保温管“三位一体”，当管道温度变化时，钢管的热胀冷缩变形可以通过保温层传到外护管，使外护管与周围回填土之间发生滑动，同时外护管上的土壤摩擦阻力又通过保温层限制钢管的热胀冷缩变形。
3、阀门的选择
无补偿直埋管道运行时所有管道及附件要承受巨大的轴向荷载，弯头处还要承受巨大的环向应力，另外所有管道及附件全部位于地下，环境恶略，空间有限。所以阀门及附件选择必须满足一些特殊要求。包头华源热力有限公司一次网阀门采用三偏心双向硬密封焊接蝶阀、排气泄水采用焊接球阀、压力表采用针型阀使用效果较好，但阀门选择是务必选择国内优质阀门。
五、结束语
供热管道的直埋敷设具有包括节能、环保、造价低、使用时间长和施工方便等极具竞争力的优势。如何在新时期发展城市建设的过程中，提高供热管道直埋敷设技术，确保城市供暖是一项深刻且意义重大的课题。
参考文献：
[1]刘旭冬，孙蕾，冯继蓓.热水供热管道敷设方式选取的工程实例分析[J].煤气与热力，2011年.
[2]王玉玄，高百争，刘德平，梁丰.无补偿直埋供热管道应力计算理论探讨[J].煤气与热力，2010年.
[3]王致祥等.管道应力分析与计算[M].北京：水利电力出版社，2012.
【关键词】 供热管道；直埋技术；分析
一、直埋供热管道的作用及应力特点
温度和压力是热力管道上最主要的两种作用。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，管道强度设计中应主要考虑温度变化产生的循环塑性变形和疲劳破坏。
二、直埋敷设发展现状及其分类
1、直埋敷设发展现状
国内供热直埋管道的受力分析主要采用从国外引进的应力分析法。应力分析法认为根据不同的应力作用形式，管道会发生不同形式的破坏，应采用不同的应力验算方法。1976年北京市煤气热力设计院等五家单位合作在热力管道无补偿直埋敷设试验研究中采用应力分类法进行无补偿的理论研究和现场实测，证实了采用应力分类法理论计算结果的正确性﹕太原理工大学和太原热力公司用三年的时间完成了大直径管道摩擦系数的试验研究。得出结论《城镇直埋供热管道工程技术规程》（CJJ/T81—98）（以下简称《规程》）给出的回填土摩擦系数的取值范围可以适用于大直径管道的直埋敷设管道受力设计计算中。三通、弯头等薄弱部件处的保护措施以及预热方法等技术也在不断的更新。目前国内外对于直埋管道受力的设计原则虽然不完全一致，但是大部分都遵循尽量避免整个管道中有补偿安装，而只在局部薄弱部件处进行补偿保护的原则。鉴于《规程》颁布时直埋敷设的发展状况，《规程》中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。
2、直埋敷设网的分类
首先是无补偿冷安装的直埋敷设。这种技术是通过在管道铺设过程中不加任何预应力，依靠深埋的方法让土壤和管道产生摩擦，从而限制供热管道在受热时候可能产生的热拉长。由于土壤和管道之间存在摩擦，因此管道在铺上过程中会产生锚固段和滑动段两种情况。当供热管道受热时，处于锚固段的部分将热胀应力转变为温度应力，这样就使得管道承受在运行状态下的轴向压力，在计算的过程中，供热管道所受到的压应力和温度的变化是成正比例的。而此时处于滑动段的供热管道则不能全部将热胀应力转变为温度应力，自然而然地管道要随之出现拉长。第二种直埋敷设方式是敞沟预热安装。这种敷设方式下要求对于管道进行预热，准确地说是在回填前对于管道进行加温预热，通过预热温度对于管道运行的不同作用可以将供热管道的补偿器省略并减少工程成本。具体来说就是，当实际操作过程中的供热管道温度恰好等于预热时所加的温度时，管道所受到的应压力为零，而当管道实际所受到的运行温度高于预热温度时管道会产生压应力，而当管道温度回复到正常温度时又会产生拉应力，这种通过温度调节影响管道的敷设方式就是所谓的预应力效果。第三种供热管道的直埋敷设方式是增设补偿器。其中又分为增设一次性补偿器和增设直埋式供热管道补偿器。前者适用于交通繁忙的路段，在维持正常交通的情况下对供热管道进行预热前的填土处理。后者需要设定固定墩，用于直埋敷设供热管道的补偿器的补偿能力必须要超出每两个固定墩之间管道的热伸长量。
三、有补偿直埋敷设和无补偿直埋敷设管道的布置形式
1、有补偿直埋敷设
当采用有补偿直埋敷设时可不考虑管道失稳，隆出地面等问题，所以工程中会尽量浅埋。浅埋敷设可减少土方量，敷设时不设混凝土墩，不仅降低了工程造价，缩短了工期，而且减少了由地下水位高带来的热损失，延长了管材的使用寿命，使后期运行维护管理更加简单、省心。但由于要采用补偿器吸收热位移来降低直管段的温度应力，管道和土壤之间摩擦力产生的应力较大，补偿段长度较短，管网中需设置大量补偿器和固定支座。因此，管网占用空间大，布置形状复杂。
2、无补偿直埋敷设
当供热管道采用无补偿直埋敷设设计时，在工作温度范围内，当管道热伸长受阻产生的温度应力能够满足安定性分析的强度条件时，从管道强度角度考虑在长距离直管段上可不设补偿器。但是对于长距离敷设的直管段，如果允许管道发生塑性变形或轴向应力接近屈服极限，易出现由于材料允许的缺陷或不均匀现象所造成的破坏，如钢管壁厚偏差的影响，因此，需要根据现场条件采取适当的保护措施，可能需要设少量补偿器及固定支座，但总体上系统管网占用空间小，布置形式简单。
四、直埋无补偿冷安装在设计及施工中的注意事项
1、管道沟槽的要求
供热管道直埋无补偿冷安装设计及施工过程中，土方工程是一个重要的环节，直接关系到供热管网施工的质量。供热管网施工土方工程的好多案例显示：部分沟槽开挖在回填土上，沟槽基底未按照设计要求进行处理，将管道直接吊装安装，造成基底不实，致使管道底部不均匀沉降；沟槽开挖过程中，沟槽底部高程校核不好，致使管底不能与沟底紧密接触，造成局部底部悬空；还有在管道对口焊接时，采取抬高管道的方法强制对口焊接，使管底悬空，管道失去均匀支撑。最终造成管道焊口开裂漏水，影响供热管网的安全运行。针对上述问题，包头华源热力有限公司在供热管道直埋无补偿冷安装施工过程中采取了一系列有针对性的措施将进行了解决。
2、管材要求
一次管网的供水设计温度一般为130℃，所以一次网对管道的要求很高，一方面輸送介质温度高，所以要求保温材料要有很好的保温性能及耐温性能采，以避免高温运行情况下保温材料碳化而导致预制保温管失去其固有的性能；另一方面由于输送距离、输送介质温度高需要管道要承受较大压力；再者由于管道直埋，管道热胀冷缩时，保温管高密度聚氯乙烯外壳要承受很大的摩檫力，因此要求外壳与保温层、保温层与钢管都要有很强的结合力，以保证其“三位一体”，同时土壤的压力也要求外壳具有一定的承载能力。基于上述技术要求，包头华源热力有限公司供热管道采用直埋预制保温管，直埋预制保温管由输送介质的钢管（工作管）、聚氨酯硬质泡沫塑料（保温层）、高密度聚乙烯外套管（保护层）紧密结合而成。直埋预制保温管“三位一体”，当管道温度变化时，钢管的热胀冷缩变形可以通过保温层传到外护管，使外护管与周围回填土之间发生滑动，同时外护管上的土壤摩擦阻力又通过保温层限制钢管的热胀冷缩变形。
3、阀门的选择
无补偿直埋管道运行时所有管道及附件要承受巨大的轴向荷载，弯头处还要承受巨大的环向应力，另外所有管道及附件全部位于地下，环境恶略，空间有限。所以阀门及附件选择必须满足一些特殊要求。包头华源热力有限公司一次网阀门采用三偏心双向硬密封焊接蝶阀、排气泄水采用焊接球阀、压力表采用针型阀使用效果较好，但阀门选择是务必选择国内优质阀门。
五、结束语
供热管道的直埋敷设具有包括节能、环保、造价低、使用时间长和施工方便等极具竞争力的优势。如何在新时期发展城市建设的过程中，提高供热管道直埋敷设技术，确保城市供暖是一项深刻且意义重大的课题。
参考文献：
[1]刘旭冬，孙蕾，冯继蓓.热水供热管道敷设方式选取的工程实例分析[J].煤气与热力，2011年.
[2]王玉玄，高百争，刘德平，梁丰.无补偿直埋供热管道应力计算理论探讨[J].煤气与热力，2010年.
[3]王致祥等.管道应力分析与计算[M].北京：水利电力出版社，2012.