熱水管道直埋無補(bǔ)償技術(shù)

1、熱水管道直埋無補(bǔ)償技術(shù)文章來源：北京東元同創(chuàng)能源技術(shù)有限公司供熱管道直埋設(shè)計(jì)現(xiàn)狀上世紀(jì)八十年代初，我國從北歐引進(jìn)聚氨酯保溫管后，供熱管道由地溝敷設(shè)開始轉(zhuǎn)向直 埋敷設(shè)，而管道設(shè)計(jì)仍沿用架空管道和地溝管道的彈性設(shè)計(jì)理論，采用自然補(bǔ)償或軸向補(bǔ)償 器+固定墩的設(shè)計(jì)模式。近年來隨著供熱管網(wǎng)的規(guī)模越來越大，大口徑的直埋供熱應(yīng)用趨于 普遍，在彈性有補(bǔ)償設(shè)計(jì)理論下，大口徑直埋供熱管道的補(bǔ)償段越做越?。ㄐ〉?0m左右）， 固定墩體積是越來越大，管道安裝施工難度加大，管道安裝施工工期拉長，管道投資也隨之 相應(yīng)增加。而直埋管道在安裝軸向補(bǔ)償器時(shí)，往往由于補(bǔ)償器兩側(cè)管道軸線很難保證在同一 水平直線上（經(jīng)常出現(xiàn)夾角），

2、這就給管網(wǎng)運(yùn)行帶來安全隱患。我國供熱管道直埋無補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展與推廣我國對供熱管道直埋無補(bǔ)償研究起步較早。在上個(gè)世紀(jì)七十年代，北京煤氣熱力工程設(shè) 計(jì)院就將火力發(fā)電廠汽水管道的設(shè)計(jì)理論引入到直埋管道設(shè)計(jì)上，該理論對管道應(yīng)力分類， 以在溫變應(yīng)力下不出現(xiàn)循環(huán)塑性變形為安定性條件，即安定性分析。在安定性理論驗(yàn)算下， 對運(yùn)行溫度在85150C的直埋供熱管網(wǎng)，一般可不設(shè)補(bǔ)償器直埋敷設(shè)。進(jìn)入九十年代，北歐也意識到了在直埋供熱管網(wǎng)中應(yīng)用彈性理論沒有反映鋼材塑性變形 和溫變應(yīng)力破壞的關(guān)系，也沒有充分利用鋼材自身塑性潛力。歐洲也制定了直埋無補(bǔ)償?shù)挠?jì) 算和設(shè)計(jì)方法。1999年我國正式頒布實(shí)施了城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)

3、規(guī)程（CJJ/T81 98）。規(guī)程中明確規(guī)定：管道應(yīng)力驗(yàn)算采用應(yīng)力分類法。然而由于傳統(tǒng)的彈性設(shè)計(jì)理論根 深蒂固，加之設(shè)計(jì)人員保守觀念，供熱管道直埋無補(bǔ)償技術(shù)推廣和應(yīng)用舉步為堅(jiān)，甚至有不 少人認(rèn)為直埋無補(bǔ)償是天方夜譚，會給管網(wǎng)運(yùn)行帶來重大事故。2004年建設(shè)部218號公告 建設(shè)部推廣應(yīng)用和限制禁止使用技術(shù)中明確將“直埋熱水管道無補(bǔ)償敷設(shè)技術(shù)”列為推 廣技術(shù)。2006年建設(shè)部發(fā)布的建設(shè)事業(yè)“ 一五”重點(diǎn)推廣技術(shù)領(lǐng)域（建科2006315 號）中將“新型高效采暖空調(diào)與制冷技術(shù)、輸配管網(wǎng)節(jié)能技術(shù)”列為“十一五”重點(diǎn)推廣技 術(shù)。供熱管道直埋無補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法國外、國內(nèi)大量的工程實(shí)踐已經(jīng)完全證明了直埋無補(bǔ)償技術(shù)

4、的可行性、實(shí)用性和安全性。 目前供熱管道直埋無補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法有兩種：一種是北歐的計(jì)算方法，應(yīng)用第四強(qiáng)度理論，采 用極限分析，管道安裝時(shí)需要預(yù)熱安裝；一種是北京煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院的計(jì)算方法：應(yīng)用 第三強(qiáng)度理論，采用應(yīng)力分類、安定性分析，管道安裝冷安裝即可。冷安裝與預(yù)熱安裝相比 較更為方便、快捷，易于應(yīng)用和推廣。直埋供熱管道管材分析應(yīng)用在供熱管道上的管材多為低碳鋼Q235。我們首先就要了解低碳鋼Q235的材 料特性。伸長率55%的材料為塑性材料。Q235塑性 伸長率可達(dá)20%30% （一般取26%），斷面收縮率 W60%。由此可見Q235鋼是一種塑 性較好的一種材料，從Q235鋼拉應(yīng)力性能曲線上來分

5、析它在不同應(yīng)力階段的變化情況。低碳鋼拉伸拉應(yīng)力應(yīng)變性能曲線（5-8曲線）1、彈性階段OA為彈性變形階段。p為比例極限，拉應(yīng)力與變變保持正比例關(guān)系，Q235鋼的比 例極限op=200MPa，oe為彈性極限（AB段）5與8間的關(guān)系不再成正比，但變形仍是彈 性的。A與B非常接近，在工程不對彈性極限和比例極限并不嚴(yán)格區(qū)分。2、屈服階段屈服：當(dāng)應(yīng)力超過B點(diǎn)到達(dá)C點(diǎn)后，應(yīng)力。呈現(xiàn)幅度不大的波動而變形卻急劇地增長， 這種現(xiàn)象稱為屈服。C點(diǎn)為屈服高限，D1為屈服低限，通常將屈服低限稱為屈服極限，Q235 鋼的屈服極限。s=235MPa。3、強(qiáng)化階段強(qiáng)化：經(jīng)屈服后，材料又增強(qiáng)了抵抗變形的能力，這時(shí)要使材料繼續(xù)變

6、形，就需要增大 拉力，這種現(xiàn)象稱為強(qiáng)化。D1D段為強(qiáng)化階段。Q235鋼的強(qiáng)化極限。b=375MPa。4、局部變形階段從D開始，桿件某一局部橫截面急劇收縮，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，到E點(diǎn)時(shí)被拉斷。Q235鋼的材料力學(xué)特性是進(jìn)行直埋無補(bǔ)償計(jì)算的基礎(chǔ)。直埋供熱管道在實(shí)際運(yùn)行 中存在著彈性變形與塑性變形相伴的復(fù)雜變形。對于直埋無補(bǔ)償設(shè)計(jì)下的管材與管件我國參 照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN253、EN488分別制定了高密度聚乙烯外護(hù)管聚氨酯泡沫預(yù)制直埋保溫管 CJ/T114-2000標(biāo)準(zhǔn)及高密度聚乙烯外護(hù)管聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料預(yù)制直埋保溫管件 CJ/T155-2001標(biāo)準(zhǔn)。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為供熱管道直埋無補(bǔ)償?shù)膶?shí)施提供了基礎(chǔ)保障。二、直

7、埋供熱管道的應(yīng)力分析直埋管道的安全性取決于管道中的應(yīng)力。直埋管道中根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生的來源及出現(xiàn)不 同的失效方式可將應(yīng)力分為：1、一次應(yīng)力：介質(zhì)在管道中工作產(chǎn)生的應(yīng)力，如內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力。2、二次應(yīng)力：管道熱脹冷縮變形產(chǎn)生的應(yīng)力，如溫變軸向應(yīng)力。3、峰值應(yīng)力：一定時(shí)期內(nèi)，承受一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的直管道向管件釋放變形，在該管件上產(chǎn)生的應(yīng)力集中。在直埋管道中，二次應(yīng)力（軸向溫變應(yīng)力）的水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)壓產(chǎn)生的一次應(yīng)力（內(nèi) 壓應(yīng)力），因此，直埋管道的安全性主要取決于管道的軸向溫變應(yīng)力。三、直埋供熱管道的破壞方式從理論上講，直埋供熱管道上存在著多種破壞方式，但地實(shí)際工程實(shí)例中，對直埋 供熱管道產(chǎn)生主要破壞作用方式

8、有以下二種方式：1、強(qiáng)度失效（1）塑性變形塑性變形是一次應(yīng)力與二次應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生的，而對一個(gè)供熱管網(wǎng)，一次應(yīng)力的最大值 是相對固定的，因此，直埋供熱管道產(chǎn)生塑性變形主要取決于二次應(yīng)力（溫變應(yīng)力）。所以，當(dāng) 二次應(yīng)力超過管道屈服極限。時(shí)，管道產(chǎn)生有限的塑性變形；當(dāng)二次應(yīng)力超過了兩倍管道屈服s極限，即2os時(shí)，管道在溫變壓應(yīng)力下產(chǎn)生壓縮變形，管道在溫變拉應(yīng)力下產(chǎn)生拉伸塑性變形， 這樣就產(chǎn)生了循環(huán)塑性變形。直埋管道的直管段在溫變壓應(yīng)力作用下，八。03。時(shí)，管道不產(chǎn)生無限塑性循環(huán)變形， 管道處在安定狀態(tài)；八。3。時(shí)，管道產(chǎn)生無限塑性流動，產(chǎn)生破壞。直埋管道的直管段在溫變拉應(yīng)力下，Ao2。時(shí)，不產(chǎn)生

9、新的塑性變形，管道處在安定狀態(tài);。32。時(shí)，管道在溫變拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生破壞。（2）疲勞破壞彎頭、變徑、折角、三通等管件承受的應(yīng)力是一次應(yīng)力和二次應(yīng)力集中所產(chǎn)的的峰值應(yīng)力。 管件在熱網(wǎng)啟運(yùn)和停運(yùn)時(shí)承受極值峰值應(yīng)力，而在熱網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，管件只承受低頻峰值應(yīng)力。 根據(jù)工程實(shí)例數(shù)據(jù)，彎頭、變徑、折角、三通等管件的峰值應(yīng)力，在Ao60 時(shí)不會產(chǎn)生疲 勞破壞。彎頭、變徑、折角、三通等管件的疲勞破壞是直埋供熱網(wǎng)中是主要的破壞方式。（3）荷載破壞管道上方出現(xiàn)高傳遞性荷載（如載重車輛通過）時(shí)，管道局部截面產(chǎn)生橢圓化變形，相應(yīng)地 會產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成管道破壞。荷載破壞是供熱管網(wǎng)破壞的常見方式。2、穩(wěn)定失效（1）整

10、體失穩(wěn)直埋管道在運(yùn)行工況下承受的最大應(yīng)力是軸向壓力，當(dāng)管道溫升較高，管道熱膨脹變形不能 完全釋放時(shí)產(chǎn)生的軸向二次應(yīng)力（溫變應(yīng)力）急劇升高，在壓桿效應(yīng)下，管道易出現(xiàn)軸向整體失 穩(wěn)破壞。（2）局部失穩(wěn)直埋管道屬于薄壁殼體，在軸向壓力超過彈性極限后，管道開始出現(xiàn)局部失穩(wěn)破壞趨勢。四、應(yīng)力計(jì)算（一）直管道的應(yīng)力計(jì)算1、直埋管道基本許用應(yīng)力基本許用應(yīng)力一般按以下兩種方式確定：。=。/3 或。=。/1.5目前工程計(jì)算中按。=；/3計(jì)算基本許用應(yīng)力，按。/3取值符合Q235鋼的材料力學(xué) 特性。bb2、管道環(huán)向應(yīng)力o t=PdD./2 6P一管道計(jì)算壓力d-管道內(nèi)徑5 -管道公稱壁厚3、管道最大允許循環(huán)溫差A(yù)

11、L=（Ti -日）虹=商3。 - （1-v） ajATmax-無補(bǔ)償管段存在的最大允許循環(huán)溫差，。CT1-管道最高運(yùn)行溫度，CT2-管道最低運(yùn)行溫度，CE-鋼管彈性模量，Paa-鋼管的線性膨脹系統(tǒng)，m/（mC）4、管道總應(yīng)力變化Qj = （1-v） crtEa （Tr L） 3a。.-管道運(yùn)行與停運(yùn)工況的總應(yīng)力變化，Pa5、錨固段軸向應(yīng)力Na = Ea（Ti-To）-vatA*lOT0-管道計(jì)算安裝溫度，CA -鋼管管壁的橫截面積，皿（二）彎頭應(yīng)力計(jì)算彎頭可以通過一側(cè)彎臂的變形來吸收另一側(cè)彎臂的應(yīng)變及應(yīng)力，彎臂的應(yīng)力向彎頭聚集，彎 頭通過自身的應(yīng)變來吸收彎臂的應(yīng)力，而過大的應(yīng)變會導(dǎo)致彎頭產(chǎn)生疲

12、勞破壞。因此，直埋無補(bǔ) 償計(jì)算中，應(yīng)對彎頭進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。彎頭在直埋管道中多以l型彎、z型彎及n型彎形式出現(xiàn)。彎頭強(qiáng)度計(jì)算：AM Aaj = P+AcjK6gAo .彎頭總應(yīng)力變化，Pa咋-彎頭環(huán)向應(yīng)力變化，即運(yùn)行工況下的環(huán)向拉應(yīng)力* paB疲勞試驗(yàn)應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)AM彎頭的彎矩，Nmr-彎頭處鋼管外壁半徑，m（三）折角設(shè)計(jì)在管道安裝過程中，經(jīng)常受路由及安裝條件的影響，管道會出現(xiàn)一些折角。折角不象彎頭那 樣具有較高的應(yīng)變吸收能力，其應(yīng)力水平要比彎頭高得多，產(chǎn)生破壞的概率也較大。管道啟運(yùn)時(shí)， 折角處內(nèi)壓產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，折角兩側(cè)溫變應(yīng)力共同作用在折角上，折角點(diǎn)產(chǎn)生水平位移。在彎 矩M作用面的內(nèi)側(cè)，產(chǎn)生軸

13、向彎曲壓應(yīng)力的點(diǎn)為危險(xiǎn)點(diǎn)，該點(diǎn)的主應(yīng)力是環(huán)向拉應(yīng)力，折角處的 當(dāng)量應(yīng)力為：= 已；+0F J oAIoj折角處當(dāng)量應(yīng)力，PaPd-管道的計(jì)算壓力，Pa%鋼管內(nèi)壁半徑，m5 -鋼管壁厚，mB-折角應(yīng)力加強(qiáng)系統(tǒng)N-折角處的軸向力，NA -鋼管管壁的橫截面積，皿I-鋼管的慣性矩，m4M-折角處的彎矩，Nmr鋼管外壁半徑，m折角處的峰值應(yīng)力超過6。時(shí)，應(yīng)采取特殊措施來保護(hù)折角。（四）變徑設(shè)計(jì)變徑是管道上常用的管件，直埋無補(bǔ)償設(shè)計(jì)中，由于變徑兩側(cè)的直管道的應(yīng)力不相同，特別 是上級管徑應(yīng)力大于下級管徑應(yīng)力，造成變徑處的峰值應(yīng)力過大，對變徑產(chǎn)生破壞。因此，應(yīng)對 變徑采取加強(qiáng)或設(shè)置固定墩保護(hù)。（五）支線抽頭（三通）支線抽頭相對主管道來講，起固定作用，有利于提高主管道的安全性。但抽頭處也同時(shí)是環(huán) 向拉應(yīng)力最大的地方，對支線的破壞性產(chǎn)生較大。在高溫直埋無償管道中，應(yīng)采取加強(qiáng)及特殊抽 頭處理來保證支線的安定。直埋管道的工作環(huán)境較為特殊，影響直埋管道的的各種力在理論上都會對管道產(chǎn)生影響，但 我們在實(shí)際的工程實(shí)例中，要根據(jù)實(shí)際工況來區(qū)分哪些力會對管道的物理結(jié)構(gòu)、運(yùn)行工況產(chǎn)生嚴(yán) 重影響，導(dǎo)致管道無法安全運(yùn)行。例如：管道內(nèi)壓超過一定限度時(shí)會導(dǎo)致管道破裂。