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高工對寒冷地區(qū)“無補償直埋”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高工對寒冷1一、引言供熱管網(wǎng)直埋無補償技術(shù)――即直埋熱水管道無補償敷設(shè)技術(shù)。我國城市供熱管道直埋無補償技術(shù)起源于火力發(fā)電廠汽水管道上的應(yīng)力分類法。早在上個世紀70年代，我國就已經(jīng)開始采用通過對管道溫度應(yīng)力的安定性分析對直埋熱水管道進行研究。在80年代，隨著我國開始從北歐引進預制保溫管，在直埋管網(wǎng)的設(shè)計中也相應(yīng)地采用了北歐的彈性分析法進行直埋管網(wǎng)設(shè)計。在彈性理論下，直埋管道的直管段通常采用設(shè)置補償器、固定支墩的管道安裝方式。進入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)運行經(jīng)驗的積累，我國的一些設(shè)計人員開始認識到彈性分析理論指導下的直埋熱水管道設(shè)計過于保守，設(shè)計人員開始采用應(yīng)力分析法進行直埋管道的強度設(shè)計。北歐供熱行業(yè)也意識到了這一點，1996年版歐洲標準《區(qū)域供熱整體式預制保溫管的設(shè)計、計算和安裝》，1997年出版的《集中供熱手冊》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)計院、哈爾濱建筑大學、沈陽熱力工程設(shè)計研究院、中建二局安裝公司、雞西熱力公司哈爾濱熱力公司及中國礦業(yè)大學多家單位的努力下，歷經(jīng)六年，于1998年制定出了我國的國家行業(yè)標準《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T81－98），此標準明確規(guī)定了采用應(yīng)力分類法進行直埋熱力管道的強度設(shè)計，1999年1月正式頒布，1999年6月1日正式起施行。此標準的頒布標志著我國直埋管道設(shè)計理論進入了國際先進水平。一、引言供熱管網(wǎng)直埋無補償技術(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，有補償設(shè)計及安裝仍在供熱管網(wǎng)占有較大比重，致使直埋無補償技術(shù)至今沒有得到全面推廣和普及。2005年建設(shè)部218號公告中將直埋熱水管道無補償敷設(shè)技術(shù)確定為推廣技術(shù)項目。明確了直埋供熱管道工程的設(shè)計原則是使預制保溫管系統(tǒng)中的管道、管件在設(shè)計條件下均能滿足相應(yīng)標準強度條件和穩(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)直埋無補償技術(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)“無補償直埋”供熱大管徑管道工程的應(yīng)用也逐漸發(fā)展起來，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行過程中都有較好的效果。雖然在某市某區(qū)發(fā)生了“無補償直埋”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，有補償3三、無補償直埋技術(shù)的發(fā)展(1)上世紀70年代應(yīng)力分類法在國外及國內(nèi)壓力容器和汽水管道設(shè)計標準中應(yīng)用。(2)1974年開始熱水管道直埋敷設(shè)的試驗研究，發(fā)現(xiàn)按傳統(tǒng)的強度設(shè)計理論，固定支架、補償器比管溝敷設(shè)多一倍，不能發(fā)揮直埋的優(yōu)勢。(3)1976年五家單位合作在熱力管道無補償直埋敷設(shè)試驗研究中應(yīng)用應(yīng)力分類法和安定性分析進行無補償?shù)睦碚撗芯亢同F(xiàn)場實測，證實了采用應(yīng)力分類法理論計算結(jié)果的正確性。(4)1980年五家單位合作完成的《熱力管道無補償直埋敷設(shè)試驗研究》課題通過鑒定，1981年獲得北京市科技成果二等獎。(5)80年代按照無補償冷安裝方法設(shè)計、采用瀝青珍珠巖預制整體保溫管敷設(shè)的幾十項直埋熱水管道工程投入運行。(6)80年代中期我國從北歐引進生產(chǎn)的預制高密度聚乙烯外護聚氨酯保溫管開始工程中應(yīng)用，采用預熱安裝方式。(7)90年代《歐洲區(qū)域供熱手冊》推薦直埋敷設(shè)熱水管道優(yōu)先采用無補償冷安裝方式。(8)1993年ABB公司的供熱手冊中介紹的直埋敷設(shè)熱水管網(wǎng)冷安裝方式，可不進行預應(yīng)力和補償，而應(yīng)在運行溫度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年版歐洲標準《區(qū)域供熱整體式是預制保溫管的設(shè)計、計算和安裝》，1997年出版的《集中供熱手冊》中則明確提出了應(yīng)力分類法。(10)1999年建設(shè)部發(fā)布實施行業(yè)標準《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)力分類法進行管道強度驗算，適用于熱水管道無補償冷安裝直埋敷設(shè)。三、無補償直埋技術(shù)的發(fā)展(1)上世紀70年代應(yīng)力分類41、研究目的由于我國的“無補償直埋”小管徑管道的應(yīng)用較為普遍，相關(guān)的研究也較多，我國也相應(yīng)推出了我國的國家行業(yè)標準《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)，但是對于“無補償直埋”大管徑管道的研究較少，也沒有相應(yīng)的法律法規(guī)，但是在一些工程上有些設(shè)計、施工單位也嘗試著采用“無補償直埋”大管徑管道，經(jīng)濟效益是顯著的，但是同時也存在很多的問題，結(jié)合我區(qū)現(xiàn)有的已經(jīng)實施的和即將實施的“無補償直埋”大管徑管道工程進行總結(jié)，根據(jù)實際運行情況及已發(fā)生的情況，加以總結(jié)，來填補這一領(lǐng)域的空白。四、研究目的和意義1、研究目的由于我國的“無補償直埋”小管徑管道的5根據(jù)我國“無補償直埋”大管徑管道的實際情況并結(jié)合我區(qū)相應(yīng)得實際工程，總結(jié)“無補償直埋”大管徑管道在實際工程中的應(yīng)用價值，并在大范圍內(nèi)推廣“無補償直埋”大管徑管道工程的技術(shù)方面給與一定的支持和輔助，最后通過總結(jié)、歸納，實現(xiàn)理論提升，使提出的“無補償直埋”供熱大管徑管道工程對自治區(qū)，乃至全國的發(fā)展具有指導意義。無補償預熱直埋是一種可靠性高、造價低的敷設(shè)方式，目前在工程應(yīng)用中預熱普遍以水作為介質(zhì)，由于受水的熱物理性質(zhì)的限制，在預熱中尤其對于大口徑供熱管道產(chǎn)生了諸如預熱時間過長、水的自重影響熱膨脹等缺點，這些缺點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，而采用空氣作為預熱介質(zhì)不僅可以較好的解決以上問題，而且對于寶貴的水資源也是一個極大的節(jié)約。在其他省市地區(qū)這種方式應(yīng)用較為理想。倡導并論證“無補償直埋保溫管的熱風預熱技術(shù)”等一些先進技術(shù)在內(nèi)蒙古自治區(qū)的實際應(yīng)用的可行性是十分必要。2、研究意義根據(jù)我國“無補償直埋”大管徑管道的實際情況并結(jié)合6五、敷設(shè)分類：5.1有補償直埋敷設(shè)有補償直埋敷設(shè)管線最大的特點就是安裝了補償器用來吸收熱脹變形產(chǎn)生的熱位移從而降低了供熱時管道所受到的應(yīng)力，使其滿足應(yīng)力分析的強度條件。5.1.1設(shè)計方法有補償直埋敷設(shè)熱水供熱管線的設(shè)計方法比較簡單，對管道的應(yīng)力驗算采用了彈性分析理論，只計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。同時彈性分析理論有自身的弊端，荷載會引起一定的應(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)揮管道自身的負荷能力，造成了多余的浪費。5.1.2補償器的原理及作用補償器是一種具有很強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)計中的不盡完美，使得補償器在直埋敷設(shè)熱水供熱管道中成為必然，例如波紋補償器利用自身的伸縮性能來吸收管子的熱位移或承受管道內(nèi)壓縮產(chǎn)生的強大推力從而降低了管段的應(yīng)力將其控制在應(yīng)力計算所允許的極限范圍內(nèi)。除了補償設(shè)備以外還有一些管道的特殊構(gòu)造也能起到補償作用，例如幾字彎頭和三通，當管道受熱或遇冷時會受到強大的溫度應(yīng)力，而這些彎曲部位則可以通過自由變形吸收熱位移來減少管段的應(yīng)力。通過這兩種方式，管道都可得以處于過渡段，受熱或遇冷時自由伸長或縮短。5.1.3施工難度及運行原理根據(jù)有補償直埋敷設(shè)的設(shè)計理念，管道是靠補償器的伸縮來降低溫度應(yīng)力的，而相鄰兩補償器的距離不宜過長，所以需設(shè)置較多的補償器和固定支座，因此施工安裝很復雜。而且大量的固定支座的使用使保溫層的斷點增多，斷點處的保溫層很容易被破壞，長時間埋在地下鋼管會很容易被腐蝕，導致整個熱水管網(wǎng)癱瘓，影響供熱系統(tǒng)的運行，增加了維修費用。

五、敷設(shè)分類：5.1有補償直埋敷設(shè)75.2一次性補償直埋敷設(shè)供熱管道供熱管道的一次性補償，介于有補償和無補償之間。一次性補償安裝方式雖然加補償器，但補償器只在預熱時吸收熱應(yīng)力起到補償作用。但是在預熱結(jié)束后就把補償器與管道焊死，使之與管道整合，以后再也不起補償作用。(1)設(shè)計方法它應(yīng)用了安定性分析和彈性分析兩種設(shè)計方法，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)，管道是不會被破壞的。(2)預熱熱水供熱管道的一次性補償直埋敷設(shè)技術(shù)的預熱同預應(yīng)力無補償直埋是相類似的。通過對管道預熱使之升溫到設(shè)計預熱溫度。當管道伸長量達到設(shè)計伸長量時將補償器焊死。兩補償器間的應(yīng)力水平將高于補償器處的應(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，補償器只在預熱時起到補償回縮量的作用，在以后運行中并無補償作用。一次性補償安裝方式，只是補償了管道在預熱時的應(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)，是可以取消補償器的。因為低于的溫度變化不會使軸向應(yīng)力超過鋼材的許用應(yīng)力，即可采用熱應(yīng)力無補償方式安裝。5.2一次性補償直埋敷設(shè)供熱管道85.3無補償直埋敷設(shè)5.3.1分類無補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改變熱脹變形的大小和變形的釋放程度進而改變管道的應(yīng)力水平。零應(yīng)力狀態(tài)對應(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)對應(yīng)的溫度等于環(huán)境溫度；預應(yīng)力安裝：零應(yīng)力狀態(tài)對應(yīng)的溫度等于預熱溫度。5.3無補償直埋敷設(shè)95.3.2零應(yīng)力無補償直埋敷設(shè)(1)設(shè)計方法冷安裝無補償直埋敷設(shè)的設(shè)計方法比較復雜采用了應(yīng)力分類法對管道的受力做了精細劃分與解析。根據(jù)由不同特性的荷載產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)和對管道破壞的影響，對管道上不同的應(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行分析[。(2)布置方式按無補償冷安裝直埋敷設(shè)的設(shè)計理論，在熱水供熱管網(wǎng)的工作溫度范圍內(nèi)，當管道熱伸長受阻產(chǎn)生的溫度應(yīng)力能夠滿足安定性分析的強度條件時，從管道強度角度考慮，管網(wǎng)中可不設(shè)補償器。但由于某些管件的強度或?qū)Ξa(chǎn)生熱位移的限制，需要根據(jù)現(xiàn)場條件采取適當?shù)谋Ｗo措施，可設(shè)置少量的補償器及固定支柱。因此管網(wǎng)占用空間少，布置形式簡單，保溫管整體連續(xù)性，防水性好[64]。5.3.2零應(yīng)力無補償直埋敷設(shè)105.3.3預應(yīng)力無補償直埋１、預應(yīng)力無補償直埋敷設(shè)技術(shù)采用了安定性分析的設(shè)計方法。安定性分析法運用了第三強度和第四強度理論，涉及了塑性變形，需要先判別材料某一點呈現(xiàn)塑性變形時的應(yīng)力所應(yīng)當滿足的塑性條件，要求應(yīng)力和應(yīng)變在彈性范圍內(nèi)變化，當管道的部分材料進入屈服區(qū)間而產(chǎn)生較小變化時，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，管道是不會受到破壞的，對于某一次的升溫，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行。與彈性分析法相對，安定性分析法采用預熱溫度和循環(huán)終溫（運行溫度）之差作為計算溫差，與安裝溫度無關(guān)。綜上所述，在分析與計算中應(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預應(yīng)力無補償直埋11２、預熱安裝方式有兩種：敞溝預熱和覆土預熱。（1）敞溝預熱先將管道置于溝中，在覆土前先預熱，預熱溫度控制在循環(huán)中間溫度以上，據(jù)芬蘭KWH安裝手冊預熱溫度，這是為了防止管子升溫時所受應(yīng)力超過因高溫而下降的屈服極限。預熱時，隨溫度升高管道會不斷伸長，當溫度達到預熱溫度且管道伸長量達到設(shè)計值時，在維持恒定的預熱溫度下，將相鄰兩管道活動端焊死，預熱完畢再覆土，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，只要預熱溫度設(shè)計合理，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)不會引起破壞。（2）覆土預熱顧名思義，當然是先覆土后預熱。覆土時要注意管段兩端附近必須敞溝。此外考慮到三通彎頭在預熱時會發(fā)生位移，而且由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)會產(chǎn)生峰值應(yīng)力很容易超過屈服極限造成破壞，在覆土時也應(yīng)在三通彎頭附近敞槽，當升溫達到預熱溫度時再覆土?？紤]到管道要克服摩擦力，覆土預熱溫度應(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、預熱安裝方式有兩種：敞溝預熱和覆土預熱。12管道預熱覆土前的受力分析

管道自然狀態(tài)的受力分析：

管道預熱覆土后的受力分析

管道運行時的受力分析

管道預熱覆土前的受力分析管道自然狀態(tài)的受力分析：管道預熱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)力會對管道產(chǎn)生軸向循環(huán)塑性破壞。對于循環(huán)溫差較大，運行壓力較大，大管徑的管道，當熱脹變形不能完全釋放時，極易出現(xiàn)循環(huán)塑性變形。在直埋供熱管道設(shè)計中，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發(fā)生應(yīng)力集中，在溫度變化時，應(yīng)力集中在管道不連續(xù)處產(chǎn)生峰值應(yīng)力，會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，會產(chǎn)生較大的軸向壓應(yīng)力，管道在運行情況下，軸向壓應(yīng)力達到最大，可能會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)的問題。通過大量實驗表明，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，對大管徑且運行溫度較高的熱網(wǎng)，要特別關(guān)注局部失穩(wěn)的問題。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，當時，說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，管道的總強度應(yīng)計算。當時，管道的總應(yīng)力為零。而當時，說明覆土后軸向應(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，進行彈性形變，但是只要管長小于500米就在彈性范圍內(nèi)，管道較安全。經(jīng)過研究發(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，進行彈性16（1）當時，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。管道的總強度可進行計算。此時，管道將脫離土壤摩擦作用而發(fā)生彈性形變，只有當管道總強度達到或超過1.35倍的鋼材基本許用應(yīng)力時，管道才會發(fā)生屈服破壞。但是當直管段和三通、閥門等易發(fā)生局部失穩(wěn)破壞的設(shè)備及管線連接時，則管段會伸長，并導致局部破壞。（2）當實際工程總管長小于或等于最小管長時，應(yīng)進行分析計算?？芍荛L最小極限范圍在100m到300m之間，根據(jù)計算可知管道所受的總應(yīng)力在其彈性范圍內(nèi)，也不會發(fā)生屈服破壞變形。（3）當時，實際工程總管長大于最小極限管長范圍限制的長度時，土壤束縛管道的伸長，此時管道不易變形伸長，管道是非常安全的。上述可得，當時，應(yīng)用公式進行分析計算。當時，由于土壤摩擦的作用的束縛管道不會伸長。（1）當時，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、預熱溫度：預熱溫度受到最高運行溫度、安裝溫度、管長和最小單長摩擦的影響，并與之成正比關(guān)系。同時覆土后預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。2、覆土前伸長量：在安裝溫度和線膨脹系數(shù)不變的情況下,伸長量隨著中間溫度的升高而增大,并且與管的長度有關(guān)，在管長增大時，伸長量總體有增大的趨勢。在寒冷地區(qū)中間溫度要比非寒冷地區(qū)高，覆土前的伸長量也普遍比非寒冷地區(qū)的長。3、覆土后伸長量：在其它條件不變的情況下，伸長量則隨著土壤的摩擦力和管道長度增大而減小。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，故覆土后伸長量在寒冷地區(qū)的伸長量不會太大。4、最小單長摩擦力：在摩擦系數(shù)和覆土深度不變的情況下，最小單長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情況下最小單長摩擦力也是不相同的。5、管道總強度：當向管道內(nèi)注入熱媒時，由于管道內(nèi)壓產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力，對管道的強度產(chǎn)生影響。由于溫度的改變，產(chǎn)生熱脹力對管道有拉伸作用。可見，管道總強度與管材的性質(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、預熱溫度：預熱溫度受到最高運行溫度、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高工對寒冷地區(qū)“無補償直埋”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高工對寒冷20一、引言供熱管網(wǎng)直埋無補償技術(shù)――即直埋熱水管道無補償敷設(shè)技術(shù)。我國城市供熱管道直埋無補償技術(shù)起源于火力發(fā)電廠汽水管道上的應(yīng)力分類法。早在上個世紀70年代，我國就已經(jīng)開始采用通過對管道溫度應(yīng)力的安定性分析對直埋熱水管道進行研究。在80年代，隨著我國開始從北歐引進預制保溫管，在直埋管網(wǎng)的設(shè)計中也相應(yīng)地采用了北歐的彈性分析法進行直埋管網(wǎng)設(shè)計。在彈性理論下，直埋管道的直管段通常采用設(shè)置補償器、固定支墩的管道安裝方式。進入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)運行經(jīng)驗的積累，我國的一些設(shè)計人員開始認識到彈性分析理論指導下的直埋熱水管道設(shè)計過于保守，設(shè)計人員開始采用應(yīng)力分析法進行直埋管道的強度設(shè)計。北歐供熱行業(yè)也意識到了這一點，1996年版歐洲標準《區(qū)域供熱整體式預制保溫管的設(shè)計、計算和安裝》，1997年出版的《集中供熱手冊》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)計院、哈爾濱建筑大學、沈陽熱力工程設(shè)計研究院、中建二局安裝公司、雞西熱力公司哈爾濱熱力公司及中國礦業(yè)大學多家單位的努力下，歷經(jīng)六年，于1998年制定出了我國的國家行業(yè)標準《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T81－98），此標準明確規(guī)定了采用應(yīng)力分類法進行直埋熱力管道的強度設(shè)計，1999年1月正式頒布，1999年6月1日正式起施行。此標準的頒布標志著我國直埋管道設(shè)計理論進入了國際先進水平。一、引言供熱管網(wǎng)直埋無補償技術(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，有補償設(shè)計及安裝仍在供熱管網(wǎng)占有較大比重，致使直埋無補償技術(shù)至今沒有得到全面推廣和普及。2005年建設(shè)部218號公告中將直埋熱水管道無補償敷設(shè)技術(shù)確定為推廣技術(shù)項目。明確了直埋供熱管道工程的設(shè)計原則是使預制保溫管系統(tǒng)中的管道、管件在設(shè)計條件下均能滿足相應(yīng)標準強度條件和穩(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)直埋無補償技術(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)“無補償直埋”供熱大管徑管道工程的應(yīng)用也逐漸發(fā)展起來，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行過程中都有較好的效果。雖然在某市某區(qū)發(fā)生了“無補償直埋”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，有補償22三、無補償直埋技術(shù)的發(fā)展(1)上世紀70年代應(yīng)力分類法在國外及國內(nèi)壓力容器和汽水管道設(shè)計標準中應(yīng)用。(2)1974年開始熱水管道直埋敷設(shè)的試驗研究，發(fā)現(xiàn)按傳統(tǒng)的強度設(shè)計理論，固定支架、補償器比管溝敷設(shè)多一倍，不能發(fā)揮直埋的優(yōu)勢。(3)1976年五家單位合作在熱力管道無補償直埋敷設(shè)試驗研究中應(yīng)用應(yīng)力分類法和安定性分析進行無補償?shù)睦碚撗芯亢同F(xiàn)場實測，證實了采用應(yīng)力分類法理論計算結(jié)果的正確性。(4)1980年五家單位合作完成的《熱力管道無補償直埋敷設(shè)試驗研究》課題通過鑒定，1981年獲得北京市科技成果二等獎。(5)80年代按照無補償冷安裝方法設(shè)計、采用瀝青珍珠巖預制整體保溫管敷設(shè)的幾十項直埋熱水管道工程投入運行。(6)80年代中期我國從北歐引進生產(chǎn)的預制高密度聚乙烯外護聚氨酯保溫管開始工程中應(yīng)用，采用預熱安裝方式。(7)90年代《歐洲區(qū)域供熱手冊》推薦直埋敷設(shè)熱水管道優(yōu)先采用無補償冷安裝方式。(8)1993年ABB公司的供熱手冊中介紹的直埋敷設(shè)熱水管網(wǎng)冷安裝方式，可不進行預應(yīng)力和補償，而應(yīng)在運行溫度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年版歐洲標準《區(qū)域供熱整體式是預制保溫管的設(shè)計、計算和安裝》，1997年出版的《集中供熱手冊》中則明確提出了應(yīng)力分類法。(10)1999年建設(shè)部發(fā)布實施行業(yè)標準《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)力分類法進行管道強度驗算，適用于熱水管道無補償冷安裝直埋敷設(shè)。三、無補償直埋技術(shù)的發(fā)展(1)上世紀70年代應(yīng)力分類231、研究目的由于我國的“無補償直埋”小管徑管道的應(yīng)用較為普遍，相關(guān)的研究也較多，我國也相應(yīng)推出了我國的國家行業(yè)標準《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)，但是對于“無補償直埋”大管徑管道的研究較少，也沒有相應(yīng)的法律法規(guī)，但是在一些工程上有些設(shè)計、施工單位也嘗試著采用“無補償直埋”大管徑管道，經(jīng)濟效益是顯著的，但是同時也存在很多的問題，結(jié)合我區(qū)現(xiàn)有的已經(jīng)實施的和即將實施的“無補償直埋”大管徑管道工程進行總結(jié)，根據(jù)實際運行情況及已發(fā)生的情況，加以總結(jié)，來填補這一領(lǐng)域的空白。四、研究目的和意義1、研究目的由于我國的“無補償直埋”小管徑管道的24根據(jù)我國“無補償直埋”大管徑管道的實際情況并結(jié)合我區(qū)相應(yīng)得實際工程，總結(jié)“無補償直埋”大管徑管道在實際工程中的應(yīng)用價值，并在大范圍內(nèi)推廣“無補償直埋”大管徑管道工程的技術(shù)方面給與一定的支持和輔助，最后通過總結(jié)、歸納，實現(xiàn)理論提升，使提出的“無補償直埋”供熱大管徑管道工程對自治區(qū)，乃至全國的發(fā)展具有指導意義。無補償預熱直埋是一種可靠性高、造價低的敷設(shè)方式，目前在工程應(yīng)用中預熱普遍以水作為介質(zhì)，由于受水的熱物理性質(zhì)的限制，在預熱中尤其對于大口徑供熱管道產(chǎn)生了諸如預熱時間過長、水的自重影響熱膨脹等缺點，這些缺點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，而采用空氣作為預熱介質(zhì)不僅可以較好的解決以上問題，而且對于寶貴的水資源也是一個極大的節(jié)約。在其他省市地區(qū)這種方式應(yīng)用較為理想。倡導并論證“無補償直埋保溫管的熱風預熱技術(shù)”等一些先進技術(shù)在內(nèi)蒙古自治區(qū)的實際應(yīng)用的可行性是十分必要。2、研究意義根據(jù)我國“無補償直埋”大管徑管道的實際情況并結(jié)合25五、敷設(shè)分類：5.1有補償直埋敷設(shè)有補償直埋敷設(shè)管線最大的特點就是安裝了補償器用來吸收熱脹變形產(chǎn)生的熱位移從而降低了供熱時管道所受到的應(yīng)力，使其滿足應(yīng)力分析的強度條件。5.1.1設(shè)計方法有補償直埋敷設(shè)熱水供熱管線的設(shè)計方法比較簡單，對管道的應(yīng)力驗算采用了彈性分析理論，只計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。同時彈性分析理論有自身的弊端，荷載會引起一定的應(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)揮管道自身的負荷能力，造成了多余的浪費。5.1.2補償器的原理及作用補償器是一種具有很強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)計中的不盡完美，使得補償器在直埋敷設(shè)熱水供熱管道中成為必然，例如波紋補償器利用自身的伸縮性能來吸收管子的熱位移或承受管道內(nèi)壓縮產(chǎn)生的強大推力從而降低了管段的應(yīng)力將其控制在應(yīng)力計算所允許的極限范圍內(nèi)。除了補償設(shè)備以外還有一些管道的特殊構(gòu)造也能起到補償作用，例如幾字彎頭和三通，當管道受熱或遇冷時會受到強大的溫度應(yīng)力，而這些彎曲部位則可以通過自由變形吸收熱位移來減少管段的應(yīng)力。通過這兩種方式，管道都可得以處于過渡段，受熱或遇冷時自由伸長或縮短。5.1.3施工難度及運行原理根據(jù)有補償直埋敷設(shè)的設(shè)計理念，管道是靠補償器的伸縮來降低溫度應(yīng)力的，而相鄰兩補償器的距離不宜過長，所以需設(shè)置較多的補償器和固定支座，因此施工安裝很復雜。而且大量的固定支座的使用使保溫層的斷點增多，斷點處的保溫層很容易被破壞，長時間埋在地下鋼管會很容易被腐蝕，導致整個熱水管網(wǎng)癱瘓，影響供熱系統(tǒng)的運行，增加了維修費用。

五、敷設(shè)分類：5.1有補償直埋敷設(shè)265.2一次性補償直埋敷設(shè)供熱管道供熱管道的一次性補償，介于有補償和無補償之間。一次性補償安裝方式雖然加補償器，但補償器只在預熱時吸收熱應(yīng)力起到補償作用。但是在預熱結(jié)束后就把補償器與管道焊死，使之與管道整合，以后再也不起補償作用。(1)設(shè)計方法它應(yīng)用了安定性分析和彈性分析兩種設(shè)計方法，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)，管道是不會被破壞的。(2)預熱熱水供熱管道的一次性補償直埋敷設(shè)技術(shù)的預熱同預應(yīng)力無補償直埋是相類似的。通過對管道預熱使之升溫到設(shè)計預熱溫度。當管道伸長量達到設(shè)計伸長量時將補償器焊死。兩補償器間的應(yīng)力水平將高于補償器處的應(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，補償器只在預熱時起到補償回縮量的作用，在以后運行中并無補償作用。一次性補償安裝方式，只是補償了管道在預熱時的應(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)，是可以取消補償器的。因為低于的溫度變化不會使軸向應(yīng)力超過鋼材的許用應(yīng)力，即可采用熱應(yīng)力無補償方式安裝。5.2一次性補償直埋敷設(shè)供熱管道275.3無補償直埋敷設(shè)5.3.1分類無補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改變熱脹變形的大小和變形的釋放程度進而改變管道的應(yīng)力水平。零應(yīng)力狀態(tài)對應(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)對應(yīng)的溫度等于環(huán)境溫度；預應(yīng)力安裝：零應(yīng)力狀態(tài)對應(yīng)的溫度等于預熱溫度。5.3無補償直埋敷設(shè)285.3.2零應(yīng)力無補償直埋敷設(shè)(1)設(shè)計方法冷安裝無補償直埋敷設(shè)的設(shè)計方法比較復雜采用了應(yīng)力分類法對管道的受力做了精細劃分與解析。根據(jù)由不同特性的荷載產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)和對管道破壞的影響，對管道上不同的應(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行分析[。(2)布置方式按無補償冷安裝直埋敷設(shè)的設(shè)計理論，在熱水供熱管網(wǎng)的工作溫度范圍內(nèi)，當管道熱伸長受阻產(chǎn)生的溫度應(yīng)力能夠滿足安定性分析的強度條件時，從管道強度角度考慮，管網(wǎng)中可不設(shè)補償器。但由于某些管件的強度或?qū)Ξa(chǎn)生熱位移的限制，需要根據(jù)現(xiàn)場條件采取適當?shù)谋Ｗo措施，可設(shè)置少量的補償器及固定支柱。因此管網(wǎng)占用空間少，布置形式簡單，保溫管整體連續(xù)性，防水性好[64]。5.3.2零應(yīng)力無補償直埋敷設(shè)295.3.3預應(yīng)力無補償直埋１、預應(yīng)力無補償直埋敷設(shè)技術(shù)采用了安定性分析的設(shè)計方法。安定性分析法運用了第三強度和第四強度理論，涉及了塑性變形，需要先判別材料某一點呈現(xiàn)塑性變形時的應(yīng)力所應(yīng)當滿足的塑性條件，要求應(yīng)力和應(yīng)變在彈性范圍內(nèi)變化，當管道的部分材料進入屈服區(qū)間而產(chǎn)生較小變化時，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，管道是不會受到破壞的，對于某一次的升溫，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行。與彈性分析法相對，安定性分析法采用預熱溫度和循環(huán)終溫（運行溫度）之差作為計算溫差，與安裝溫度無關(guān)。綜上所述，在分析與計算中應(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預應(yīng)力無補償直埋30２、預熱安裝方式有兩種：敞溝預熱和覆土預熱。（1）敞溝預熱先將管道置于溝中，在覆土前先預熱，預熱溫度控制在循環(huán)中間溫度以上，據(jù)芬蘭KWH安裝手冊預熱溫度，這是為了防止管子升溫時所受應(yīng)力超過因高溫而下降的屈服極限。預熱時，隨溫度升高管道會不斷伸長，當溫度達到預熱溫度且管道伸長量達到設(shè)計值時，在維持恒定的預熱溫度下，將相鄰兩管道活動端焊死，預熱完畢再覆土，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，只要預熱溫度設(shè)計合理，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)不會引起破壞。（2）覆土預熱顧名思義，當然是先覆土后預熱。覆土時要注意管段兩端附近必須敞溝。此外考慮到三通彎頭在預熱時會發(fā)生位移，而且由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)會產(chǎn)生峰值應(yīng)力很容易超過屈服極限造成破壞，在覆土時也應(yīng)在三通彎頭附近敞槽，當升溫達到預熱溫度時再覆土。考慮到管道要克服摩擦力，覆土預熱溫度應(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、預熱安裝方式有兩種：敞溝預熱和覆土預熱。31管道預熱覆土前的受力分析

管道自然狀態(tài)的受力分析：

管道預熱覆土后的受力分析

管道運行時的受力分析

管道預熱覆土前的受力分析管道自然狀態(tài)的受力分析：管道預熱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)力會對管道產(chǎn)生軸向循環(huán)塑性破壞。對于循環(huán)溫差較大，運行壓力較大，大管徑的管道，當熱脹變形不能完全釋放時，極易出現(xiàn)循環(huán)塑性變形。在直埋供熱管道設(shè)計中，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發(fā)生應(yīng)力集中，在溫度變化時，應(yīng)力集中在管道不連續(xù)處產(chǎn)生峰值應(yīng)力，會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，會產(chǎn)生較大的軸向壓應(yīng)力，管道在運行情況下，軸向壓應(yīng)力達到最大，可能會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)的問題。通過大量實驗表明，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，對大管徑且運行溫