管道工程的技術(shù)研究與探討課件

管道工程的技術(shù)研究與探討王文新王維珍教授級(jí)高工對(duì)寒冷地區(qū)“無(wú)補(bǔ)償直埋”供熱大管徑管道工程的技術(shù)研究與探討王文新王維珍教授級(jí)高工對(duì)寒冷1一、引言供熱管網(wǎng)直埋無(wú)補(bǔ)償技術(shù)――即直埋熱水管道無(wú)補(bǔ)償敷設(shè)技術(shù)。我國(guó)城市供熱管道直埋無(wú)補(bǔ)償技術(shù)起源于火力發(fā)電廠汽水管道上的應(yīng)力分類法。早在上個(gè)世紀(jì)70年代，我國(guó)就已經(jīng)開(kāi)始采用通過(guò)對(duì)管道溫度應(yīng)力的安定性分析對(duì)直埋熱水管道進(jìn)行研究。在80年代，隨著我國(guó)開(kāi)始從北歐引進(jìn)預(yù)制保溫管，在直埋管網(wǎng)的設(shè)計(jì)中也相應(yīng)地采用了北歐的彈性分析法進(jìn)行直埋管網(wǎng)設(shè)計(jì)。在彈性理論下，直埋管道的直管段通常采用設(shè)置補(bǔ)償器、固定支墩的管道安裝方式。進(jìn)入90年代以后，隨著城市集中供熱的發(fā)展及多年直埋熱水管網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，我國(guó)的一些設(shè)計(jì)人員開(kāi)始認(rèn)識(shí)到彈性分析理論指導(dǎo)下的直埋熱水管道設(shè)計(jì)過(guò)于保守，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始采用應(yīng)力分析法進(jìn)行直埋管道的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。北歐供熱行業(yè)也意識(shí)到了這一點(diǎn)，1996年版歐洲標(biāo)準(zhǔn)《區(qū)域供熱整體式預(yù)制保溫管的設(shè)計(jì)、計(jì)算和安裝》，1997年出版的《集中供熱手冊(cè)》中則明確地提出了應(yīng)力分類法。

在唐山市熱力公司、北京煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院、哈爾濱建筑大學(xué)、沈陽(yáng)熱力工程設(shè)計(jì)研究院、中建二局安裝公司、雞西熱力公司哈爾濱熱力公司及中國(guó)礦業(yè)大學(xué)多家單位的努力下，歷經(jīng)六年，于1998年制定出了我國(guó)的國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T81－98），此標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了采用應(yīng)力分類法進(jìn)行直埋熱力管道的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，1999年1月正式頒布，1999年6月1日正式起施行。此標(biāo)準(zhǔn)的頒布標(biāo)志著我國(guó)直埋管道設(shè)計(jì)理論進(jìn)入了國(guó)際先進(jìn)水平。一、引言供熱管網(wǎng)直埋無(wú)補(bǔ)償技術(shù)――即直埋熱水管道2二、工程背景

由于彈性分析理論的沿襲，有補(bǔ)償設(shè)計(jì)及安裝仍在供熱管網(wǎng)占有較大比重，致使直埋無(wú)補(bǔ)償技術(shù)至今沒(méi)有得到全面推廣和普及。2005年建設(shè)部218號(hào)公告中將直埋熱水管道無(wú)補(bǔ)償敷設(shè)技術(shù)確定為推廣技術(shù)項(xiàng)目。明確了直埋供熱管道工程的設(shè)計(jì)原則是使預(yù)制保溫管系統(tǒng)中的管道、管件在設(shè)計(jì)條件下均能滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度條件和穩(wěn)定性要求，從而確保供熱管道系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。供熱管網(wǎng)直埋無(wú)補(bǔ)償技術(shù)目前在技術(shù)上成熟，近幾年在許多大型的新建集中供熱工程中都得到了廣泛的應(yīng)用，在長(zhǎng)春一汽的一次高溫水網(wǎng)、烏魯木齊集中供熱的一次高溫水網(wǎng)、遼寧營(yíng)口熱力公司集中供熱網(wǎng)管及黑龍江寶清集中供熱管網(wǎng)中都得到了良好的應(yīng)用。在內(nèi)蒙古地區(qū)“無(wú)補(bǔ)償直埋”供熱大管徑管道工程的應(yīng)用也逐漸發(fā)展起來(lái)，例如烏海的集中供熱一期工程、呼和浩特集中供熱三期工程、鄂爾多斯集中供熱工程等在運(yùn)行過(guò)程中都有較好的效果。雖然在某市某區(qū)發(fā)生了“無(wú)補(bǔ)償直埋”供熱管道工程隆起、屈曲并皺裂事故，但是也得到了較好的解決。二、工程背景

由于彈性分析理論的沿襲，有補(bǔ)償3三、無(wú)補(bǔ)償直埋技術(shù)的發(fā)展(1)上世紀(jì)70年代應(yīng)力分類法在國(guó)外及國(guó)內(nèi)壓力容器和汽水管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)用。(2)1974年開(kāi)始熱水管道直埋敷設(shè)的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)按傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論，固定支架、補(bǔ)償器比管溝敷設(shè)多一倍，不能發(fā)揮直埋的優(yōu)勢(shì)。(3)1976年五家單位合作在熱力管道無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)試驗(yàn)研究中應(yīng)用應(yīng)力分類法和安定性分析進(jìn)行無(wú)補(bǔ)償?shù)睦碚撗芯亢同F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，證實(shí)了采用應(yīng)力分類法理論計(jì)算結(jié)果的正確性。(4)1980年五家單位合作完成的《熱力管道無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)試驗(yàn)研究》課題通過(guò)鑒定，1981年獲得北京市科技成果二等獎(jiǎng)。(5)80年代按照無(wú)補(bǔ)償冷安裝方法設(shè)計(jì)、采用瀝青珍珠巖預(yù)制整體保溫管敷設(shè)的幾十項(xiàng)直埋熱水管道工程投入運(yùn)行。(6)80年代中期我國(guó)從北歐引進(jìn)生產(chǎn)的預(yù)制高密度聚乙烯外護(hù)聚氨酯保溫管開(kāi)始工程中應(yīng)用，采用預(yù)熱安裝方式。(7)90年代《歐洲區(qū)域供熱手冊(cè)》推薦直埋敷設(shè)熱水管道優(yōu)先采用無(wú)補(bǔ)償冷安裝方式。(8)1993年ABB公司的供熱手冊(cè)中介紹的直埋敷設(shè)熱水管網(wǎng)冷安裝方式，可不進(jìn)行預(yù)應(yīng)力和補(bǔ)償，而應(yīng)在運(yùn)行溫度130～140℃的直埋熱管上，其軸向應(yīng)力已超出了彈性分析的范疇。[57](9)1996年版歐洲標(biāo)準(zhǔn)《區(qū)域供熱整體式是預(yù)制保溫管的設(shè)計(jì)、計(jì)算和安裝》，1997年出版的《集中供熱手冊(cè)》中則明確提出了應(yīng)力分類法。(10)1999年建設(shè)部發(fā)布實(shí)施行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》CJJ/T81-98，規(guī)程規(guī)定采用應(yīng)力分類法進(jìn)行管道強(qiáng)度驗(yàn)算，適用于熱水管道無(wú)補(bǔ)償冷安裝直埋敷設(shè)。三、無(wú)補(bǔ)償直埋技術(shù)的發(fā)展(1)上世紀(jì)70年代應(yīng)力分類41、研究目的由于我國(guó)的“無(wú)補(bǔ)償直埋”小管徑管道的應(yīng)用較為普遍，相關(guān)的研究也較多，我國(guó)也相應(yīng)推出了我國(guó)的國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T81－98），也是較為成熟的技術(shù)，但是對(duì)于“無(wú)補(bǔ)償直埋”大管徑管道的研究較少，也沒(méi)有相應(yīng)的法律法規(guī)，但是在一些工程上有些設(shè)計(jì)、施工單位也嘗試著采用“無(wú)補(bǔ)償直埋”大管徑管道，經(jīng)濟(jì)效益是顯著的，但是同時(shí)也存在很多的問(wèn)題，結(jié)合我區(qū)現(xiàn)有的已經(jīng)實(shí)施的和即將實(shí)施的“無(wú)補(bǔ)償直埋”大管徑管道工程進(jìn)行總結(jié)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況及已發(fā)生的情況，加以總結(jié)，來(lái)填補(bǔ)這一領(lǐng)域的空白。四、研究目的和意義1、研究目的由于我國(guó)的“無(wú)補(bǔ)償直埋”小管徑管道的5根據(jù)我國(guó)“無(wú)補(bǔ)償直埋”大管徑管道的實(shí)際情況并結(jié)合我區(qū)相應(yīng)得實(shí)際工程，總結(jié)“無(wú)補(bǔ)償直埋”大管徑管道在實(shí)際工程中的應(yīng)用價(jià)值，并在大范圍內(nèi)推廣“無(wú)補(bǔ)償直埋”大管徑管道工程的技術(shù)方面給與一定的支持和輔助，最后通過(guò)總結(jié)、歸納，實(shí)現(xiàn)理論提升，使提出的“無(wú)補(bǔ)償直埋”供熱大管徑管道工程對(duì)自治區(qū)，乃至全國(guó)的發(fā)展具有指導(dǎo)意義。無(wú)補(bǔ)償預(yù)熱直埋是一種可靠性高、造價(jià)低的敷設(shè)方式，目前在工程應(yīng)用中預(yù)熱普遍以水作為介質(zhì)，由于受水的熱物理性質(zhì)的限制，在預(yù)熱中尤其對(duì)于大口徑供熱管道產(chǎn)生了諸如預(yù)熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、水的自重影響熱膨脹等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)在一定程度上也制約了此種敷設(shè)方式在工程中的應(yīng)用，而采用空氣作為預(yù)熱介質(zhì)不僅可以較好的解決以上問(wèn)題，而且對(duì)于寶貴的水資源也是一個(gè)極大的節(jié)約。在其他省市地區(qū)這種方式應(yīng)用較為理想。倡導(dǎo)并論證“無(wú)補(bǔ)償直埋保溫管的熱風(fēng)預(yù)熱技術(shù)”等一些先進(jìn)技術(shù)在內(nèi)蒙古自治區(qū)的實(shí)際應(yīng)用的可行性是十分必要。2、研究意義根據(jù)我國(guó)“無(wú)補(bǔ)償直埋”大管徑管道的實(shí)際情況并結(jié)合6五、敷設(shè)分類：5.1有補(bǔ)償直埋敷設(shè)有補(bǔ)償直埋敷設(shè)管線最大的特點(diǎn)就是安裝了補(bǔ)償器用來(lái)吸收熱脹變形產(chǎn)生的熱位移從而降低了供熱時(shí)管道所受到的應(yīng)力，使其滿足應(yīng)力分析的強(qiáng)度條件。5.1.1設(shè)計(jì)方法有補(bǔ)償直埋敷設(shè)熱水供熱管線的設(shè)計(jì)方法比較簡(jiǎn)單，對(duì)管道的應(yīng)力驗(yàn)算采用了彈性分析理論，只計(jì)算作用在管道上所受應(yīng)力的合應(yīng)力，分析管線受綜合應(yīng)力的影響。同時(shí)彈性分析理論有自身的弊端，荷載會(huì)引起一定的應(yīng)力、應(yīng)變，將應(yīng)力、應(yīng)變控制在一定范圍內(nèi)，再加上足夠的安全余量作為限定值。[64]只要管道任一載面上的應(yīng)力小于此限定值即鋼材的許用應(yīng)力即可安裝敷設(shè)，但這種方式并未充分發(fā)揮管道自身的負(fù)荷能力，造成了多余的浪費(fèi)。5.1.2補(bǔ)償器的原理及作用補(bǔ)償器是一種具有很強(qiáng)伸縮性能的撓性元件或管子的特殊構(gòu)造。由于彈性分析理論在管道分析設(shè)計(jì)中的不盡完美，使得補(bǔ)償器在直埋敷設(shè)熱水供熱管道中成為必然，例如波紋補(bǔ)償器利用自身的伸縮性能來(lái)吸收管子的熱位移或承受管道內(nèi)壓縮產(chǎn)生的強(qiáng)大推力從而降低了管段的應(yīng)力將其控制在應(yīng)力計(jì)算所允許的極限范圍內(nèi)。除了補(bǔ)償設(shè)備以外還有一些管道的特殊構(gòu)造也能起到補(bǔ)償作用，例如幾字彎頭和三通，當(dāng)管道受熱或遇冷時(shí)會(huì)受到強(qiáng)大的溫度應(yīng)力，而這些彎曲部位則可以通過(guò)自由變形吸收熱位移來(lái)減少管段的應(yīng)力。通過(guò)這兩種方式，管道都可得以處于過(guò)渡段，受熱或遇冷時(shí)自由伸長(zhǎng)或縮短。5.1.3施工難度及運(yùn)行原理根據(jù)有補(bǔ)償直埋敷設(shè)的設(shè)計(jì)理念，管道是靠補(bǔ)償器的伸縮來(lái)降低溫度應(yīng)力的，而相鄰兩補(bǔ)償器的距離不宜過(guò)長(zhǎng)，所以需設(shè)置較多的補(bǔ)償器和固定支座，因此施工安裝很復(fù)雜。而且大量的固定支座的使用使保溫層的斷點(diǎn)增多，斷點(diǎn)處的保溫層很容易被破壞，長(zhǎng)時(shí)間埋在地下鋼管會(huì)很容易被腐蝕，導(dǎo)致整個(gè)熱水管網(wǎng)癱瘓，影響供熱系統(tǒng)的運(yùn)行，增加了維修費(fèi)用。

五、敷設(shè)分類：5.1有補(bǔ)償直埋敷設(shè)75.2一次性補(bǔ)償直埋敷設(shè)供熱管道供熱管道的一次性補(bǔ)償，介于有補(bǔ)償和無(wú)補(bǔ)償之間。一次性補(bǔ)償安裝方式雖然加補(bǔ)償器，但補(bǔ)償器只在預(yù)熱時(shí)吸收熱應(yīng)力起到補(bǔ)償作用。但是在預(yù)熱結(jié)束后就把補(bǔ)償器與管道焊死，使之與管道整合，以后再也不起補(bǔ)償作用。(1)設(shè)計(jì)方法它應(yīng)用了安定性分析和彈性分析兩種設(shè)計(jì)方法，彈性分析法的應(yīng)用限制了管材自身承載能力的充分發(fā)揮。因溫差而產(chǎn)生的二次應(yīng)力可以采用安定性分析方法，只要彈性變形仍控制在彈性范圍內(nèi)，管道是不會(huì)被破壞的。(2)預(yù)熱熱水供熱管道的一次性補(bǔ)償直埋敷設(shè)技術(shù)的預(yù)熱同預(yù)應(yīng)力無(wú)補(bǔ)償直埋是相類似的。通過(guò)對(duì)管道預(yù)熱使之升溫到設(shè)計(jì)預(yù)熱溫度。當(dāng)管道伸長(zhǎng)量達(dá)到設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)量時(shí)將補(bǔ)償器焊死。兩補(bǔ)償器間的應(yīng)力水平將高于補(bǔ)償器處的應(yīng)力，以后隨溫度的升高，管道內(nèi)應(yīng)力將逐漸趨于一致。這樣，補(bǔ)償器只在預(yù)熱時(shí)起到補(bǔ)償回縮量的作用，在以后運(yùn)行中并無(wú)補(bǔ)償作用。一次性補(bǔ)償安裝方式，只是補(bǔ)償了管道在預(yù)熱時(shí)的應(yīng)變。如果管道的最大溫升溫降控制在一定溫差范圍之內(nèi)，是可以取消補(bǔ)償器的。因?yàn)榈陀诘臏囟茸兓粫?huì)使軸向應(yīng)力超過(guò)鋼材的許用應(yīng)力，即可采用熱應(yīng)力無(wú)補(bǔ)償方式安裝。5.2一次性補(bǔ)償直埋敷設(shè)供熱管道85.3無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)5.3.1分類無(wú)補(bǔ)償直埋管道中熱脹變形不能完全釋放產(chǎn)生了應(yīng)力。所以我們可以選擇不同的安裝方式來(lái)改變熱脹變形的大小和變形的釋放程度進(jìn)而改變管道的應(yīng)力水平。零應(yīng)力狀態(tài)對(duì)應(yīng)的溫度影響著熱脹變形的程度。零應(yīng)力狀態(tài)溫度越高熱脹變形程度就越小，據(jù)此溫度可將管道劃分為：冷安裝，零應(yīng)力狀態(tài)對(duì)應(yīng)的溫度等于環(huán)境溫度；預(yù)應(yīng)力安裝：零應(yīng)力狀態(tài)對(duì)應(yīng)的溫度等于預(yù)熱溫度。5.3無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)95.3.2零應(yīng)力無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)(1)設(shè)計(jì)方法冷安裝無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)的設(shè)計(jì)方法比較復(fù)雜采用了應(yīng)力分類法對(duì)管道的受力做了精細(xì)劃分與解析。根據(jù)由不同特性的荷載產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)和對(duì)管道破壞的影響，對(duì)管道上不同的應(yīng)力形態(tài)分別給予相應(yīng)的限定值。應(yīng)力分類法將計(jì)算應(yīng)力劃分成一次應(yīng)力，二次應(yīng)力及峰值應(yīng)力，分別采用彈性分析理論、安定性分析理論及疲勞分析理論進(jìn)行分析[。(2)布置方式按無(wú)補(bǔ)償冷安裝直埋敷設(shè)的設(shè)計(jì)理論，在熱水供熱管網(wǎng)的工作溫度范圍內(nèi)，當(dāng)管道熱伸長(zhǎng)受阻產(chǎn)生的溫度應(yīng)力能夠滿足安定性分析的強(qiáng)度條件時(shí)，從管道強(qiáng)度角度考慮，管網(wǎng)中可不設(shè)補(bǔ)償器。但由于某些管件的強(qiáng)度或?qū)Ξa(chǎn)生熱位移的限制，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，可設(shè)置少量的補(bǔ)償器及固定支柱。因此管網(wǎng)占用空間少，布置形式簡(jiǎn)單，保溫管整體連續(xù)性，防水性好[64]。5.3.2零應(yīng)力無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)105.3.3預(yù)應(yīng)力無(wú)補(bǔ)償直埋１、預(yù)應(yīng)力無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)技術(shù)采用了安定性分析的設(shè)計(jì)方法。安定性分析法運(yùn)用了第三強(qiáng)度和第四強(qiáng)度理論，涉及了塑性變形，需要先判別材料某一點(diǎn)呈現(xiàn)塑性變形時(shí)的應(yīng)力所應(yīng)當(dāng)滿足的塑性條件，要求應(yīng)力和應(yīng)變?cè)趶椥苑秶鷥?nèi)變化，當(dāng)管道的部分材料進(jìn)入屈服區(qū)間而產(chǎn)生較小變化時(shí)，由于滿足了變化協(xié)調(diào)條件，變形程度就不再發(fā)展。它允許若干次塑性變形，只要不產(chǎn)生循環(huán)多次的塑性變形，管道是不會(huì)受到破壞的，對(duì)于某一次的升溫，只要將管道的塑性變形控制在屈服極限內(nèi)，即使產(chǎn)生塑性變形也可以安全運(yùn)行。與彈性分析法相對(duì)，安定性分析法采用預(yù)熱溫度和循環(huán)終溫（運(yùn)行溫度）之差作為計(jì)算溫差，與安裝溫度無(wú)關(guān)。綜上所述，在分析與計(jì)算中應(yīng)考慮各種載荷隨溫度升高或降低而變化所產(chǎn)生的相對(duì)應(yīng)力變化量，考慮安全裕度后，將此應(yīng)力變化應(yīng)控制在1.35倍基本許用應(yīng)力內(nèi)。5.3.3預(yù)應(yīng)力無(wú)補(bǔ)償直埋11２、預(yù)熱安裝方式有兩種：敞溝預(yù)熱和覆土預(yù)熱。（1）敞溝預(yù)熱先將管道置于溝中，在覆土前先預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在循環(huán)中間溫度以上，據(jù)芬蘭KWH安裝手冊(cè)預(yù)熱溫度，這是為了防止管子升溫時(shí)所受應(yīng)力超過(guò)因高溫而下降的屈服極限。預(yù)熱時(shí)，隨溫度升高管道會(huì)不斷伸長(zhǎng)，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)熱溫度且管道伸長(zhǎng)量達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，在維持恒定的預(yù)熱溫度下，將相鄰兩管道活動(dòng)端焊死，預(yù)熱完畢再覆土，注意管道外圍一層砂土以保證有足夠的摩察力與溫度應(yīng)力相平衡，管道內(nèi)應(yīng)力達(dá)到平均應(yīng)力水平，此后，不論管道是升溫還是降溫，在其它因素滿足穩(wěn)定條件情況下，只要預(yù)熱溫度設(shè)計(jì)合理，因此而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力、內(nèi)部水的壓力以及土壤的壓力和摩擦力等多種力的綜合作用下，管道產(chǎn)生的自應(yīng)力都能維持在屈服極限范圍內(nèi)不會(huì)引起破壞。（2）覆土預(yù)熱顧名思義，當(dāng)然是先覆土后預(yù)熱。覆土?xí)r要注意管段兩端附近必須敞溝。此外考慮到三通彎頭在預(yù)熱時(shí)會(huì)發(fā)生位移，而且由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)會(huì)產(chǎn)生峰值應(yīng)力很容易超過(guò)屈服極限造成破壞，在覆土?xí)r也應(yīng)在三通彎頭附近敞槽，當(dāng)升溫達(dá)到預(yù)熱溫度時(shí)再覆土?？紤]到管道要克服摩擦力，覆土預(yù)熱溫度應(yīng)為循環(huán)中間溫度再加上附加溫度，附加溫度與鋼材的材料及橫截面積有關(guān)。２、預(yù)熱安裝方式有兩種：敞溝預(yù)熱和覆土預(yù)熱。12管道預(yù)熱覆土前的受力分析

管道自然狀態(tài)的受力分析：

管道預(yù)熱覆土后的受力分析

管道運(yùn)行時(shí)的受力分析

管道預(yù)熱覆土前的受力分析管道自然狀態(tài)的受力分析：管道預(yù)熱13５.3.4直埋敷設(shè)管道的破壞方式就直埋敷設(shè)供熱管道而言，其破壞方式主要有以下幾種：(1)循環(huán)塑性變形：直埋供熱管道的循環(huán)塑性變形是由力的作用和位移的作用共同產(chǎn)生的，其中溫度影響程度最大，由于溫度變化產(chǎn)生的熱脹變形不能完全釋放，所以溫升產(chǎn)生的軸向壓應(yīng)力和溫降產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生軸向循環(huán)塑性破壞。對(duì)于循環(huán)溫差較大，運(yùn)行壓力較大，大管徑的管道，當(dāng)熱脹變形不能完全釋放時(shí)，極易出現(xiàn)循環(huán)塑性變形。在直埋供熱管道設(shè)計(jì)中，應(yīng)防止出現(xiàn)塑性變形。(2)低循環(huán)疲勞破壞：在管線中的彎頭、三通、大小頭及折角等處通常會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中，在溫度變化時(shí)，應(yīng)力集中在管道不連續(xù)處產(chǎn)生峰值應(yīng)力，會(huì)引起管道的疲勞破壞。由于溫度變化頻率低，因此也稱為低循環(huán)疲勞破壞。(3)整體失穩(wěn)：由溫升引起的熱脹變形不能完全釋放時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的軸向壓應(yīng)力，管道在運(yùn)行情況下，軸向壓應(yīng)力達(dá)到最大，可能會(huì)造成管道的整體縱向失穩(wěn)。(4)局部失穩(wěn)：從局部看，管道屬于薄壁殼體，在軸向壓應(yīng)力作用下，管道也存在局部失穩(wěn)的問(wèn)題。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)表明，管道局部失穩(wěn)的可能性，隨著管道半徑的增大而增大，隨著壁厚的增加而減小。所以，對(duì)大管徑且運(yùn)行溫度較高的熱網(wǎng)，要特別關(guān)注局部失穩(wěn)的問(wèn)題。５.3.4直埋敷設(shè)管道的破壞方式14由圖可知，覆土后管道所受的應(yīng)力由于受土壤的約束作用而減小，當(dāng)時(shí)，說(shuō)明管道能夠克服土壤的摩擦發(fā)生變形，即圖上所有大于零的線段。此時(shí)，管道的總強(qiáng)度應(yīng)計(jì)算。當(dāng)時(shí)，管道的總應(yīng)力為零。而當(dāng)時(shí)，說(shuō)明覆土后軸向應(yīng)力小于土壤摩擦產(chǎn)生的總應(yīng)力，即土壤完全能夠抑制管道的變形。

六、結(jié)論由圖可知，覆土后管道所受的應(yīng)力由于受土壤的約束作用而減小15根據(jù)圖5-1可知鋼管雖然脫離了土壤摩擦力的束縛，進(jìn)行彈性形變，但是只要管長(zhǎng)小于500米就在彈性范圍內(nèi)，管道較安全。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，不同的管徑在原始條件確定后，適用于此公式的長(zhǎng)度都在500米以下，（500米以上的圖均作為參考）即使發(fā)生彈性形變，也都不會(huì)發(fā)生事故。根據(jù)圖5-1可知鋼管雖然脫離了土壤摩擦力的束縛，進(jìn)行彈性16（1）當(dāng)時(shí)，即覆土后的總軸向應(yīng)力大于土壤摩擦產(chǎn)生的總應(yīng)力。管道的總強(qiáng)度可進(jìn)行計(jì)算。此時(shí)，管道將脫離土壤摩擦作用而發(fā)生彈性形變，只有當(dāng)管道總強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò)1.35倍的鋼材基本許用應(yīng)力時(shí)，管道才會(huì)發(fā)生屈服破壞。但是當(dāng)直管段和三通、閥門(mén)等易發(fā)生局部失穩(wěn)破壞的設(shè)備及管線連接時(shí)，則管段會(huì)伸長(zhǎng)，并導(dǎo)致局部破壞。（2）當(dāng)實(shí)際工程總管長(zhǎng)小于或等于最小管長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行分析計(jì)算?？芍荛L(zhǎng)最小極限范圍在100m到300m之間，根據(jù)計(jì)算可知管道所受的總應(yīng)力在其彈性范圍內(nèi)，也不會(huì)發(fā)生屈服破壞變形。（3）當(dāng)時(shí)，實(shí)際工程總管長(zhǎng)大于最小極限管長(zhǎng)范圍限制的長(zhǎng)度時(shí)，土壤束縛管道的伸長(zhǎng)，此時(shí)管道不易變形伸長(zhǎng)，管道是非常安全的。上述可得，當(dāng)時(shí)，應(yīng)用公式進(jìn)行分析計(jì)算。當(dāng)時(shí)，由于土壤摩擦的作用的束縛管道不會(huì)伸長(zhǎng)。（1）當(dāng)時(shí)，即覆土后的總軸向應(yīng)力大于土壤摩擦產(chǎn)生的總應(yīng)力。管17七、寒冷地區(qū)的影響1、預(yù)熱溫度：預(yù)熱溫度受到最高運(yùn)行溫度、安裝溫度、管長(zhǎng)和最小單長(zhǎng)摩擦的影響，并與之成正比關(guān)系。同時(shí)覆土后預(yù)熱溫度還與橫截面積、彈性模量、線膨脹系數(shù)有關(guān)，隨著它們的增大而減小。而在寒冷地區(qū)最高運(yùn)行溫度和安裝溫度普遍要比非寒冷地區(qū)偏高，相應(yīng)地增加了工程造價(jià)。2、覆土前伸長(zhǎng)量：在安裝溫度和線膨脹系數(shù)不變的情況下,伸長(zhǎng)量隨著中間溫度的升高而增大,并且與管的長(zhǎng)度有關(guān)，在管長(zhǎng)增大時(shí)，伸長(zhǎng)量總體有增大的趨勢(shì)。在寒冷地區(qū)中間溫度要比非寒冷地區(qū)高，覆土前的伸長(zhǎng)量也普遍比非寒冷地區(qū)的長(zhǎng)。3、覆土后伸長(zhǎng)量：在其它條件不變的情況下，伸長(zhǎng)量則隨著土壤的摩擦力和管道長(zhǎng)度增大而減小。由于寒冷地區(qū)和非寒冷地區(qū)的埋深不同，一次應(yīng)力的受力情況不同隨之產(chǎn)生的摩擦力大小也不相同，故覆土后伸長(zhǎng)量在寒冷地區(qū)的伸長(zhǎng)量不會(huì)太大。4、最小單長(zhǎng)摩擦力：在摩擦系數(shù)和覆土深度不變的情況下，最小單長(zhǎng)摩擦力受土壤密度和管徑的影響,并隨著它們的增大而增大。如寒冷地區(qū)和非寒冷地區(qū)覆土深度不同，其采用的管徑及管道周圍的土壤成分也不相同?？芍趦煞N情況下最小單長(zhǎng)摩擦力也是不相同的。5、管道總強(qiáng)度：當(dāng)向管道內(nèi)注入熱媒時(shí)，由于管道內(nèi)壓產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力，對(duì)管道的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。由于溫度的改變，產(chǎn)生熱脹力對(duì)管道有拉伸作用?？梢?jiàn)，管道總強(qiáng)度與管材的性質(zhì)有關(guān)。在寒冷地區(qū)管內(nèi)供熱溫度較高，埋管較深使管道環(huán)向應(yīng)力偏大，故在寒冷地區(qū)要用強(qiáng)度較大的管道。6、壁厚：在寒冷地區(qū)宜采用管徑偏大的管道，而在非寒冷地區(qū)則恰恰相反。管道的壁厚隨管內(nèi)工作壓力的增大而增大，也隨著管道外徑的增大而增大，而這些也都受運(yùn)行溫度的影響，并且可以得知，壁厚受到工作壓力的影響大于外徑的影響。七、寒冷地區(qū)的影響1、預(yù)熱溫度：預(yù)熱溫度受到最高運(yùn)行溫度、18感謝大家！感謝大家！19管道工程的技術(shù)研究與探討王文新王維珍教授級(jí)高工對(duì)寒冷地區(qū)“無(wú)補(bǔ)償直埋”供熱大管徑管道工程的技術(shù)研究與探討王文新王維珍教授級(jí)高工對(duì)寒冷20一、引言供熱管網(wǎng)直埋無(wú)補(bǔ)償技術(shù)――即直埋熱水管道無(wú)補(bǔ)償敷設(shè)技術(shù)。我國(guó)城市供熱管道直埋無(wú)補(bǔ)償技術(shù)起源于火力發(fā)電廠汽水管道上的應(yīng)力分類法。早在上個(gè)世紀(jì)70年代，我國(guó)就已經(jīng)開(kāi)始采用通過(guò)對(duì)管道溫度應(yīng)力的安定性分析對(duì)直埋熱水管道進(jìn)行研究。在80年代，隨著我國(guó)開(kāi)始從北歐引進(jìn)預(yù)制保溫管，在直埋管網(wǎng)的設(shè)計(jì)中也相應(yīng)地采用了北歐的彈性分析法進(jìn)行直埋管網(wǎng)設(shè)計(jì)。在彈性理論下，直埋管道的直管段通常采用設(shè)置補(bǔ)償器、固定支墩的管道安裝方式。進(jìn)入90年代以后，隨著城市集中供熱的發(fā)展及多年直埋熱水管網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，我國(guó)的一些設(shè)計(jì)人員開(kāi)始認(rèn)識(shí)到彈性分析理論指導(dǎo)下的直埋熱水管道設(shè)計(jì)過(guò)于保守，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始采用應(yīng)力分析法進(jìn)行直埋管道的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。北歐供熱行業(yè)也意識(shí)到了這一點(diǎn)，1996年版歐洲標(biāo)準(zhǔn)《區(qū)域供熱整體式預(yù)制保溫管的設(shè)計(jì)、計(jì)算和安裝》，1997年出版的《集中供熱手冊(cè)》中則明確地提出了應(yīng)力分類法。

在唐山市熱力公司、北京煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院、哈爾濱建筑大學(xué)、沈陽(yáng)熱力工程設(shè)計(jì)研究院、中建二局安裝公司、雞西熱力公司哈爾濱熱力公司及中國(guó)礦業(yè)大學(xué)多家單位的努力下，歷經(jīng)六年，于1998年制定出了我國(guó)的國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T81－98），此標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了采用應(yīng)力分類法進(jìn)行直埋熱力管道的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，1999年1月正式頒布，1999年6月1日正式起施行。此標(biāo)準(zhǔn)的頒布標(biāo)志著我國(guó)直埋管道設(shè)計(jì)理論進(jìn)入了國(guó)際先進(jìn)水平。一、引言供熱管網(wǎng)直埋無(wú)補(bǔ)償技術(shù)――即直埋熱水管道21二、工程背景

由于彈性分析理論的沿襲，有補(bǔ)償設(shè)計(jì)及安裝仍在供熱管網(wǎng)占有較大比重，致使直埋無(wú)補(bǔ)償技術(shù)至今沒(méi)有得到全面推廣和普及。2005年建設(shè)部218號(hào)公告中將直埋熱水管道無(wú)補(bǔ)償敷設(shè)技術(shù)確定為推廣技術(shù)項(xiàng)目。明確了直埋供熱管道工程的設(shè)計(jì)原則是使預(yù)制保溫管系統(tǒng)中的管道、管件在設(shè)計(jì)條件下均能滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度條件和穩(wěn)定性要求，從而確保供熱管道系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。供熱管網(wǎng)直埋無(wú)補(bǔ)償技術(shù)目前在技術(shù)上成熟，近幾年在許多大型的新建集中供熱工程中都得到了廣泛的應(yīng)用，在長(zhǎng)春一汽的一次高溫水網(wǎng)、烏魯木齊集中供熱的一次高溫水網(wǎng)、遼寧營(yíng)口熱力公司集中供熱網(wǎng)管及黑龍江寶清集中供熱管網(wǎng)中都得到了良好的應(yīng)用。在內(nèi)蒙古地區(qū)“無(wú)補(bǔ)償直埋”供熱大管徑管道工程的應(yīng)用也逐漸發(fā)展起來(lái)，例如烏海的集中供熱一期工程、呼和浩特集中供熱三期工程、鄂爾多斯集中供熱工程等在運(yùn)行過(guò)程中都有較好的效果。雖然在某市某區(qū)發(fā)生了“無(wú)補(bǔ)償直埋”供熱管道工程隆起、屈曲并皺裂事故，但是也得到了較好的解決。二、工程背景

由于彈性分析理論的沿襲，有補(bǔ)償22三、無(wú)補(bǔ)償直埋技術(shù)的發(fā)展(1)上世紀(jì)70年代應(yīng)力分類法在國(guó)外及國(guó)內(nèi)壓力容器和汽水管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)用。(2)1974年開(kāi)始熱水管道直埋敷設(shè)的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)按傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論，固定支架、補(bǔ)償器比管溝敷設(shè)多一倍，不能發(fā)揮直埋的優(yōu)勢(shì)。(3)1976年五家單位合作在熱力管道無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)試驗(yàn)研究中應(yīng)用應(yīng)力分類法和安定性分析進(jìn)行無(wú)補(bǔ)償?shù)睦碚撗芯亢同F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，證實(shí)了采用應(yīng)力分類法理論計(jì)算結(jié)果的正確性。(4)1980年五家單位合作完成的《熱力管道無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)試驗(yàn)研究》課題通過(guò)鑒定，1981年獲得北京市科技成果二等獎(jiǎng)。(5)80年代按照無(wú)補(bǔ)償冷安裝方法設(shè)計(jì)、采用瀝青珍珠巖預(yù)制整體保溫管敷設(shè)的幾十項(xiàng)直埋熱水管道工程投入運(yùn)行。(6)80年代中期我國(guó)從北歐引進(jìn)生產(chǎn)的預(yù)制高密度聚乙烯外護(hù)聚氨酯保溫管開(kāi)始工程中應(yīng)用，采用預(yù)熱安裝方式。(7)90年代《歐洲區(qū)域供熱手冊(cè)》推薦直埋敷設(shè)熱水管道優(yōu)先采用無(wú)補(bǔ)償冷安裝方式。(8)1993年ABB公司的供熱手冊(cè)中介紹的直埋敷設(shè)熱水管網(wǎng)冷安裝方式，可不進(jìn)行預(yù)應(yīng)力和補(bǔ)償，而應(yīng)在運(yùn)行溫度130～140℃的直埋熱管上，其軸向應(yīng)力已超出了彈性分析的范疇。[57](9)1996年版歐洲標(biāo)準(zhǔn)《區(qū)域供熱整體式是預(yù)制保溫管的設(shè)計(jì)、計(jì)算和安裝》，1997年出版的《集中供熱手冊(cè)》中則明確提出了應(yīng)力分類法。(10)1999年建設(shè)部發(fā)布實(shí)施行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》CJJ/T81-98，規(guī)程規(guī)定采用應(yīng)力分類法進(jìn)行管道強(qiáng)度驗(yàn)算，適用于熱水管道無(wú)補(bǔ)償冷安裝直埋敷設(shè)。三、無(wú)補(bǔ)償直埋技術(shù)的發(fā)展(1)上世紀(jì)70年代應(yīng)力分類231、研究目的由于我國(guó)的“無(wú)補(bǔ)償直埋”小管徑管道的應(yīng)用較為普遍，相關(guān)的研究也較多，我國(guó)也相應(yīng)推出了我國(guó)的國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T81－98），也是較為成熟的技術(shù)，但是對(duì)于“無(wú)補(bǔ)償直埋”大管徑管道的研究較少，也沒(méi)有相應(yīng)的法律法規(guī)，但是在一些工程上有些設(shè)計(jì)、施工單位也嘗試著采用“無(wú)補(bǔ)償直埋”大管徑管道，經(jīng)濟(jì)效益是顯著的，但是同時(shí)也存在很多的問(wèn)題，結(jié)合我區(qū)現(xiàn)有的已經(jīng)實(shí)施的和即將實(shí)施的“無(wú)補(bǔ)償直埋”大管徑管道工程進(jìn)行總結(jié)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況及已發(fā)生的情況，加以總結(jié)，來(lái)填補(bǔ)這一領(lǐng)域的空白。四、研究目的和意義1、研究目的由于我國(guó)的“無(wú)補(bǔ)償直埋”小管徑管道的24根據(jù)我國(guó)“無(wú)補(bǔ)償直埋”大管徑管道的實(shí)際情況并結(jié)合我區(qū)相應(yīng)得實(shí)際工程，總結(jié)“無(wú)補(bǔ)償直埋”大管徑管道在實(shí)際工程中的應(yīng)用價(jià)值，并在大范圍內(nèi)推廣“無(wú)補(bǔ)償直埋”大管徑管道工程的技術(shù)方面給與一定的支持和輔助，最后通過(guò)總結(jié)、歸納，實(shí)現(xiàn)理論提升，使提出的“無(wú)補(bǔ)償直埋”供熱大管徑管道工程對(duì)自治區(qū)，乃至全國(guó)的發(fā)展具有指導(dǎo)意義。無(wú)補(bǔ)償預(yù)熱直埋是一種可靠性高、造價(jià)低的敷設(shè)方式，目前在工程應(yīng)用中預(yù)熱普遍以水作為介質(zhì)，由于受水的熱物理性質(zhì)的限制，在預(yù)熱中尤其對(duì)于大口徑供熱管道產(chǎn)生了諸如預(yù)熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、水的自重影響熱膨脹等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)在一定程度上也制約了此種敷設(shè)方式在工程中的應(yīng)用，而采用空氣作為預(yù)熱介質(zhì)不僅可以較好的解決以上問(wèn)題，而且對(duì)于寶貴的水資源也是一個(gè)極大的節(jié)約。在其他省市地區(qū)這種方式應(yīng)用較為理想。倡導(dǎo)并論證“無(wú)補(bǔ)償直埋保溫管的熱風(fēng)預(yù)熱技術(shù)”等一些先進(jìn)技術(shù)在內(nèi)蒙古自治區(qū)的實(shí)際應(yīng)用的可行性是十分必要。2、研究意義根據(jù)我國(guó)“無(wú)補(bǔ)償直埋”大管徑管道的實(shí)際情況并結(jié)合25五、敷設(shè)分類：5.1有補(bǔ)償直埋敷設(shè)有補(bǔ)償直埋敷設(shè)管線最大的特點(diǎn)就是安裝了補(bǔ)償器用來(lái)吸收熱脹變形產(chǎn)生的熱位移從而降低了供熱時(shí)管道所受到的應(yīng)力，使其滿足應(yīng)力分析的強(qiáng)度條件。5.1.1設(shè)計(jì)方法有補(bǔ)償直埋敷設(shè)熱水供熱管線的設(shè)計(jì)方法比較簡(jiǎn)單，對(duì)管道的應(yīng)力驗(yàn)算采用了彈性分析理論，只計(jì)算作用在管道上所受應(yīng)力的合應(yīng)力，分析管線受綜合應(yīng)力的影響。同時(shí)彈性分析理論有自身的弊端，荷載會(huì)引起一定的應(yīng)力、應(yīng)變，將應(yīng)力、應(yīng)變控制在一定范圍內(nèi)，再加上足夠的安全余量作為限定值。[64]只要管道任一載面上的應(yīng)力小于此限定值即鋼材的許用應(yīng)力即可安裝敷設(shè)，但這種方式并未充分發(fā)揮管道自身的負(fù)荷能力，造成了多余的浪費(fèi)。5.1.2補(bǔ)償器的原理及作用補(bǔ)償器是一種具有很強(qiáng)伸縮性能的撓性元件或管子的特殊構(gòu)造。由于彈性分析理論在管道分析設(shè)計(jì)中的不盡完美，使得補(bǔ)償器在直埋敷設(shè)熱水供熱管道中成為必然，例如波紋補(bǔ)償器利用自身的伸縮性能來(lái)吸收管子的熱位移或承受管道內(nèi)壓縮產(chǎn)生的強(qiáng)大推力從而降低了管段的應(yīng)力將其控制在應(yīng)力計(jì)算所允許的極限范圍內(nèi)。除了補(bǔ)償設(shè)備以外還有一些管道的特殊構(gòu)造也能起到補(bǔ)償作用，例如幾字彎頭和三通，當(dāng)管道受熱或遇冷時(shí)會(huì)受到強(qiáng)大的溫度應(yīng)力，而這些彎曲部位則可以通過(guò)自由變形吸收熱位移來(lái)減少管段的應(yīng)力。通過(guò)這兩種方式，管道都可得以處于過(guò)渡段，受熱或遇冷時(shí)自由伸長(zhǎng)或縮短。5.1.3施工難度及運(yùn)行原理根據(jù)有補(bǔ)償直埋敷設(shè)的設(shè)計(jì)理念，管道是靠補(bǔ)償器的伸縮來(lái)降低溫度應(yīng)力的，而相鄰兩補(bǔ)償器的距離不宜過(guò)長(zhǎng)，所以需設(shè)置較多的補(bǔ)償器和固定支座，因此施工安裝很復(fù)雜。而且大量的固定支座的使用使保溫層的斷點(diǎn)增多，斷點(diǎn)處的保溫層很容易被破壞，長(zhǎng)時(shí)間埋在地下鋼管會(huì)很容易被腐蝕，導(dǎo)致整個(gè)熱水管網(wǎng)癱瘓，影響供熱系統(tǒng)的運(yùn)行，增加了維修費(fèi)用。

五、敷設(shè)分類：5.1有補(bǔ)償直埋敷設(shè)265.2一次性補(bǔ)償直埋敷設(shè)供熱管道供熱管道的一次性補(bǔ)償，介于有補(bǔ)償和無(wú)補(bǔ)償之間。一次性補(bǔ)償安裝方式雖然加補(bǔ)償器，但補(bǔ)償器只在預(yù)熱時(shí)吸收熱應(yīng)力起到補(bǔ)償作用。但是在預(yù)熱結(jié)束后就把補(bǔ)償器與管道焊死，使之與管道整合，以后再也不起補(bǔ)償作用。(1)設(shè)計(jì)方法它應(yīng)用了安定性分析和彈性分析兩種設(shè)計(jì)方法，彈性分析法的應(yīng)用限制了管材自身承載能力的充分發(fā)揮。因溫差而產(chǎn)生的二次應(yīng)力可以采用安定性分析方法，只要彈性變形仍控制在彈性范圍內(nèi)，管道是不會(huì)被破壞的。(2)預(yù)熱熱水供熱管道的一次性補(bǔ)償直埋敷設(shè)技術(shù)的預(yù)熱同預(yù)應(yīng)力無(wú)補(bǔ)償直埋是相類似的。通過(guò)對(duì)管道預(yù)熱使之升溫到設(shè)計(jì)預(yù)熱溫度。當(dāng)管道伸長(zhǎng)量達(dá)到設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)量時(shí)將補(bǔ)償器焊死。兩補(bǔ)償器間的應(yīng)力水平將高于補(bǔ)償器處的應(yīng)力，以后隨溫度的升高，管道內(nèi)應(yīng)力將逐漸趨于一致。這樣，補(bǔ)償器只在預(yù)熱時(shí)起到補(bǔ)償回縮量的作用，在以后運(yùn)行中并無(wú)補(bǔ)償作用。一次性補(bǔ)償安裝方式，只是補(bǔ)償了管道在預(yù)熱時(shí)的應(yīng)變。如果管道的最大溫升溫降控制在一定溫差范圍之內(nèi)，是可以取消補(bǔ)償器的。因?yàn)榈陀诘臏囟茸兓粫?huì)使軸向應(yīng)力超過(guò)鋼材的許用應(yīng)力，即可采用熱應(yīng)力無(wú)補(bǔ)償方式安裝。5.2一次性補(bǔ)償直埋敷設(shè)供熱管道275.3無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)5.3.1分類無(wú)補(bǔ)償直埋管道中熱脹變形不能完全釋放產(chǎn)生了應(yīng)力。所以我們可以選擇不同的安裝方式來(lái)改變熱脹變形的大小和變形的釋放程度進(jìn)而改變管道的應(yīng)力水平。零應(yīng)力狀態(tài)對(duì)應(yīng)的溫度影響著熱脹變形的程度。零應(yīng)力狀態(tài)溫度越高熱脹變形程度就越小，據(jù)此溫度可將管道劃分為：冷安裝，零應(yīng)力狀態(tài)對(duì)應(yīng)的溫度等于環(huán)境溫度；預(yù)應(yīng)力安裝：零應(yīng)力狀態(tài)對(duì)應(yīng)的溫度等于預(yù)熱溫度。5.3無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)285.3.2零應(yīng)力無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)(1)設(shè)計(jì)方法冷安裝無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)的設(shè)計(jì)方法比較復(fù)雜采用了應(yīng)力分類法對(duì)管道的受力做了精細(xì)劃分與解析。根據(jù)由不同特性的荷載產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)和對(duì)管道破壞的影響，對(duì)管道上不同的應(yīng)力形態(tài)分別給予相應(yīng)的限定值。應(yīng)力分類法將計(jì)算應(yīng)力劃分成一次應(yīng)力，二次應(yīng)力及峰值應(yīng)力，分別采用彈性分析理論、安定性分析理論及疲勞分析理論進(jìn)行分析[。(2)布置方式按無(wú)補(bǔ)償冷安裝直埋敷設(shè)的設(shè)計(jì)理論，在熱水供熱管網(wǎng)的工作溫度范圍內(nèi)，當(dāng)管道熱伸長(zhǎng)受阻產(chǎn)生的溫度應(yīng)力能夠滿足安定性分析的強(qiáng)度條件時(shí)，從管道強(qiáng)度角度考慮，管網(wǎng)中可不設(shè)補(bǔ)償器。但由于某些管件的強(qiáng)度或?qū)Ξa(chǎn)生熱位移的限制，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，可設(shè)置少量的補(bǔ)償器及固定支柱。因此管網(wǎng)占用空間少，布置形式簡(jiǎn)單，保溫管整體連續(xù)性，防水性好[64]。5.3.2零應(yīng)力無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)295.3.3預(yù)應(yīng)力無(wú)補(bǔ)償直埋１、預(yù)應(yīng)力無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)技術(shù)采用了安定性分析的設(shè)計(jì)方法。安定性分析法運(yùn)用了第三強(qiáng)度和第四強(qiáng)度理論，涉及了塑性變形，需要先判別材料某一點(diǎn)呈現(xiàn)塑性變形時(shí)的應(yīng)力所應(yīng)當(dāng)滿足的塑性條件，要求應(yīng)力和應(yīng)變?cè)趶椥苑秶鷥?nèi)變化，當(dāng)管道的部分材料進(jìn)入屈服區(qū)間而產(chǎn)生較小變化時(shí)，由于滿足了變化協(xié)調(diào)條件，變形程度就不再發(fā)展。它允許若干次塑性變形，只要不產(chǎn)生循環(huán)多次的塑性變形，管道是不會(huì)受到破壞的，對(duì)于某一次的升溫，只要將管道的塑性變形控制在屈服極限內(nèi)，即使產(chǎn)生塑性變形也可以安全運(yùn)行。與彈性分析法相對(duì)，安定性分析法采用預(yù)熱溫度和循環(huán)終溫（運(yùn)行溫度）之差作為計(jì)算溫差，與安裝溫度無(wú)關(guān)。綜上所述，在分析與計(jì)算中應(yīng)考慮各種載荷隨溫度升高或降低而變化所產(chǎn)生的相對(duì)應(yīng)力變化量，考慮安全裕度后，將此應(yīng)力變化應(yīng)控制在1.35倍基本許用應(yīng)力內(nèi)。5.3.3預(yù)應(yīng)力無(wú)補(bǔ)償直埋30２、預(yù)熱安裝方式有兩種：敞溝預(yù)熱和覆土預(yù)熱。（1）敞溝預(yù)熱先將管道置于溝中，在覆土前先預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在循環(huán)中間溫度以上，據(jù)芬蘭KWH安裝手冊(cè)預(yù)熱溫度，這是為了防止管子升溫時(shí)所受應(yīng)力超過(guò)因高溫而下降的屈服極限。預(yù)熱時(shí)，隨溫度升高管道會(huì)不斷伸長(zhǎng)，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)熱溫度且管道伸長(zhǎng)量達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，在維持恒定的預(yù)熱溫度下，將相鄰兩管道活動(dòng)端焊死，預(yù)熱完畢再覆土，注意管道外圍一層砂土以保證有足夠的摩察力與溫度應(yīng)力相平衡，管道內(nèi)應(yīng)力達(dá)到平均應(yīng)力水平，此后，不論管道是升溫還是降溫，在其它因素滿足穩(wěn)定條件情況下，只要預(yù)熱溫度設(shè)計(jì)合理，因此而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力、內(nèi)部水的壓力以及土壤的壓力和摩擦力等多種力的綜合作用下，管道產(chǎn)生的自應(yīng)力都能維持在屈服極限范圍內(nèi)不會(huì)引起破壞。（2）覆土預(yù)熱顧名思義，當(dāng)然是先覆土后預(yù)熱。覆土?xí)r要注意管段兩端附近必須敞溝。此外考慮到三通彎頭在預(yù)熱時(shí)會(huì)發(fā)生位移，而且由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)會(huì)產(chǎn)生峰值應(yīng)力很容易超過(guò)屈服極限造成破壞，在覆土?xí)r也應(yīng)在三通彎頭附近敞槽，當(dāng)升溫達(dá)到預(yù)熱溫度時(shí)再覆土?？紤]到管道要克服摩擦力，覆土預(yù)熱溫度應(yīng)為循環(huán)中間溫度再加上附加溫度，附加溫度與鋼材的材料及橫截面積有關(guān)。２、預(yù)熱安裝方式有兩種：敞溝預(yù)熱和覆土預(yù)熱。31管道預(yù)熱覆土前的受力分析

管道自然狀態(tài)的受力分析：

管道預(yù)熱覆土后的受力分析

管道運(yùn)行時(shí)的受力分析

管道預(yù)熱覆土前的受力分析管道自然狀態(tài)的受力分析：管道預(yù)熱32５.3.4直埋敷設(shè)管道的破壞方式就直埋敷設(shè)供熱管道而言，其破壞方式主要有以下幾種：(1)循環(huán)塑性變形：直埋供熱管道的循環(huán)塑性變形是由力的作用和位移的作用共同產(chǎn)生的，其中溫度影響程度最大，由于溫度變化產(chǎn)生的熱脹變形不能完全釋放，所以溫升產(chǎn)生的軸向壓應(yīng)力和溫降產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生軸向循環(huán)塑性破壞。對(duì)于循環(huán)溫差較大，運(yùn)行壓力較大，大管徑的管道，當(dāng)熱脹變形不能完全釋放時(shí)，極易出現(xiàn)循環(huán)塑性變形。在直埋供熱管道設(shè)計(jì)中，應(yīng)防止出現(xiàn)塑性變形。(2)低循環(huán)疲勞破壞：在管線中的彎頭、三通、大小頭及折角等處通常會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中，在溫度變化時(shí)，應(yīng)力集中在管道不連續(xù)處產(chǎn)生峰值應(yīng)力，會(huì)引起管道的疲勞破壞。由于溫度變化頻率低，因此也稱為低循環(huán)疲勞破壞。(3)整體失穩(wěn)：由溫升引起的熱脹變形不能完全釋放時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的軸向壓應(yīng)力，管道在運(yùn)行情況下，軸向壓應(yīng)力達(dá)到最大，可能會(huì)造成管道的整體縱向失穩(wěn)。(4)局部失穩(wěn)：從局部看，管道屬于薄壁殼體，在軸向壓應(yīng)力作用下，管道也存在局部失穩(wěn)的問(wèn)題。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)表明，管道局部失穩(wěn)的可能性，隨著管道半徑的增大而增大，隨著壁厚的增加而減小。所以，對(duì)大管徑且運(yùn)行溫