热水直埋供热管网的设计天津市热电设计院 李春庆1 概述：国内外直埋技术的发展已有60余年的历史，由于直埋管道具有不影响环境美化、施工简便、工期短、维修工作量少的特点，因此特别是近三十年来热水供热管道直埋敷设发展迅速，相应形成了一整套直埋敷设的设计原理和计算方法。
80年代初，我国首次在一些城市的热网工程中采用从北欧国家引进的直埋保温管进行直埋敷设，经历了二十年的发展，无论在预制保温管的生产和安装技术上，还是在直埋供热管网的设计理论和方法上，我国的供热管道直埋技术都得到了飞速发展，直埋敷设现已成为我国城市热网的主要敷设方式。
早在70年代，北京煤气热力设计研究院就将当时已应用于火力发电厂汽水管道上的应力分类法推广到直埋供热管网上，其最显著的特点是对温度应力采用安定性分析，这样，直管段通常可采用既不预热也不补偿的无补偿冷安装方式。
然而，在80年代中，我国很多的直埋供热管网使用的都是从北欧引进的预制保温管，这样，很多设计单位也相应地采用了北欧的弹性分析法进行直埋管网设计。
采用弹性分析时，为保证管道始终处于弹性状态，直管段通常要采用设置补偿装置、预热或设置一次性补偿器的安装方式。
进入90年代，多年的直埋热网运行经验，让我国大多数设计人员认识到，在直管段对温度应力采用弹性分析的确过于保守，越来越多的设计人员开始应力分类法进行直埋管道的强度设计。
此时，北欧也已意识到这一点，1993年版的《ABB供热手册》中介绍了一种管道应力已超过弹性范围的冷安装方式，接着在1996年版的欧洲标准《区域供热整体式预制保温管的设计、计算和安装》和1997年为解释该标准而出版的《集中供热手册》中则明确地提出应力分类法。
1999年，在唐山市热力公司、北京市煤气热力设计研究院、哈尔滨建筑大学和沈阳市热力设计研究院等单位的努力下，历经六年的国家行业标准《城镇直埋供热管道工程技术规程》（CJJ/T81-98）颁布实施，标准明确规定了采用应力分类法进行直埋热力管道的强度设计，标准的颁布也标志着我国直埋管道设计理论进入了国际先进水平。
但目前国内《规程》中所给定的管道受力等计算图表中数据均限制管径在DN500以下。
然而随着我国供热事业的飞速发展，规程适用范围已不能满足实际热网的需要，城市热网的最大管径都超过DN500。
因此必须找到一种能适用于大口径直埋管道的设计方法。
本文从直埋管道强度计算的基本原理出发，对直埋供热管道特别是大口径直埋管道在设计中所需考虑的问题介绍了几点体会，供参考。
2 直埋供热管道的应力：对于直埋管道来说无论其管径多大，管道所产生的应力主要是管内介质的内压力和管道发生轴向位移时的土壤轴向摩擦力，还有管道发生侧向位移时的土壤侧向压缩反力。
内压力所产生的一次应力和土壤侧向压缩反力引起的管道二次应力的计算方法按照现有的《城镇直埋供热管道工程技术规程》（CJJ/T81-98）进行计算，但土壤轴向摩擦力引起的一次应力在现有的《规程》中忽略了管道本身自重的影响，这在小口径直埋管道强度计算中是没有问题的，但对于大口径直埋管道由于管道本身自重大，当管道发生轴向位移时，由自重产生的管道与土壤之间摩擦力不可忽略。
按照文献[1]的介绍，摩擦力的计算公式中应当考虑管道自重这一项，即：ｆ=μ[πρg(H+D w /2)D w+G]其中：ｆ—轴线方向每米管道的摩擦力，N／m；μ—外管壳与土壤的摩擦系数；ρ—土壤密度，kg／m3，一般砂土取1800 kg／m3；g —重力加速度，m／s2；H—管顶覆土深度，m；D w—预制保温管外壳的外径，m；G—每米预制保温管的满水重量，N／m。
管道轴向应力：σZ = F／AσZ—管道轴向应力，MPa；F—管道轴向力，N；对于处在过渡段的管道 F =ｆ·L ，L—过渡段长度，m；A—钢管管壁横截面积，mm2。
通过计算，对于DN1000的预制保温管埋深在1.2～1.5米时，由管道自重引起的轴向应力约占上式计算轴向应力的10%左右。
3 直埋管道的安装方式：目前国内对直埋管道的安装方式通常主要有以下几种：3.1 预热安装在管道安装完之后覆土之前，管道进行预热（也可以在预热之前将管线覆土，仅在补偿器附近的沟槽处敞口）。
管道被加热到预热温度时，保持温度恒定，将一次性补偿器焊死，接着进行覆土，待整个预热段全部回填完后，再开始降温。
3.2 有补偿安装在管道安装时，为保证管道由温升引起的二次应力和由内压引起的一次应力的综合应力不超过钢材的许用应力，因此在管道系统中设置膨胀弯、补偿器等吸收管道热膨胀的补偿元件，使钢管始终处在弹性范围内工作。
3.3 冷安装冷安装方式是ABB集中供热手册中提出来的，其允许钢管的最大轴向应力为325MPa，在管道系统中不设补偿器，也不进行预热，但冷安装对施工安装要求较高。
4 直埋管道安全状态的分析：对于DN500以上的大口径直埋供热管道，与小口径的直埋管道设计中强度计算原理是相同的，都需要通过强度验算看管道能否处于安全状态，但对于大口径直埋管道在设计中除了按照《城镇直埋供热管道工程技术规程》中规定对管道进行强度条件计算外，通过对管道安全状态的分析，还应考虑管道局部失稳、截面椭圆变形等的影响，这两点在DN500以下小口径直埋管道设计中往往是可以不考虑的。
下面对直埋管道的安全状态进行详细分析：4.1 强度失效根据作用的不同（荷载）的不同，管道中的应力可以分为一次应力、二次应力和峰值应力，每种应力都可以引起不同方式的破坏。
a) 塑性流动：内压产生的一次应力，满足静力平衡条件，所引起的变形具有非自限性。
当一次应力超过屈服应力时，管壁会产生较大的塑性变形（塑性流动），塑性变形的进一步增加，可导致爆裂或断裂。
b) 循环塑性变形：温度变化产生的二次应力，满足变形协调条件，所引起的变形具有自限性，变形的同时总能使应力下降，反过来又使变形不在发展，故二次应力只会产生有限的塑性变形。
然而，这种塑性变形会造成管壁内部结构一定程度的损伤，循环往复的塑性变形将使管道发生破损。
在管道的使用期间内，当循环变化的压力和温度所产生应力（一次应力及二次应力）变化范围超过了两倍的屈服应力时，将产生循环塑性破坏（在升温过程中的压缩塑性变形和在降温过程中的拉伸塑性变形）。
c) 疲劳破坏：应力集中通常发生在弯头、折角、大小头及三通等管件处。
在温度和压力变化过程中，应力集中引起的峰值应力，只在很小的局部范围内产生循环塑性变形。
一方面，该区域是被弹性区域包围的，故不会引起爆裂或断裂；另一方面，塑性变形对钢材的损伤作用，使管道经历了一定的运行周期后，产生疲劳破坏。
峰值应力的变化范围越大，疲劳破坏所经历的周期就越短。
4.2 稳定失效从整个管线看，管道属于杆件；从管道局部看，管道属于薄壁壳体。
当热力管道处于受压状态时，将可能出现两种不同方式失稳破坏。
整体失稳：在轴向压应力作用下，由于压杆效应，可能会引起管线的整体失稳。
局部失稳：在轴向压应力作用下，管壁可能出现局部皱结，引起局部失稳。
除上述失效方式外，横断面上的土壤荷载和交通荷载也会使管道截面产生椭圆化变形，过大的椭圆化变形也会使管道产生破坏。
5 大口径直埋管道的设计要点：当管道的管径不大于DN500时，管道只会出现无限塑性流动、循环塑性变形、疲劳破坏和整体失稳，而不会有其它方式的破坏出现。
针对这种情况，文献[2]给出了相应破坏方式出现的强度条件。
当上述强度条件得到满足时，DN500以下的管道将处于安全状态。
当管道的管径大于DN500时，除上述破坏方式外，局部失稳和截面椭圆变形出现的概率将大大增加，会成为大口径直埋管道的主要失效方式。
那么，需要针对这两种方式建立新的强度条件，并使管道满足上述条件，则管道处于安全状态，这时，大口径预制保温管的直埋敷设是可行的。
a) 局部失稳：文献[1]给出了验算钢管管壁局部稳定性的强度条件。
产生局部失稳的因素是管道的轴向应变，轴向应变取决于热胀变形的大小和热胀变形的释放程度。
由于冷安装方式的下的管道温升大于预热安装方式下的管道温升，故预热安装方式下，热胀变形量较小，热胀变形的释放与管道补偿状态有关，有补偿管段的释放程度要大于无补偿管段的释放程度。
另一方面，局部失稳的可能性还与管道的截面性有关，在轴向应变相同的管道中，随着管壁的增厚而局部失稳的可能性减少，而随着钢管平均半径的增大而局部失稳的可能性增大。
计算方法如下：计算极限状态应力时：r m／δ≤28.7 则：σZ max≤334 MPa；r m／δ＞28.7 则：σZ max≤[9250(δ／r m )+11.7 ] MPa；计算极限状态温差时：r m／δ≤28.7 则：ΔT≤130℃；r m／δ＞28.7 则：ΔT≤[3500(δ／r m )+8 ] ℃；式中：r m —钢管的平均半径，m；δ—钢管的壁厚，m；σZ max—管道最大轴向应力，MPa；ΔT—管道工作与安装温差，℃。
b) 椭圆化变形：文献[3]给出了验算土压力和车辆荷载作用下控制钢管截面椭圆化变形的稳定条件，即保证钢管截面椭圆化变形不大于钢管外径的30%。
产生径向变形的主要原因是管道上作用的垂直荷载，包括随埋深增加而加大的土壤荷载和随埋深增加而减小的车辆荷载。
同样，还与钢管的截面参数有关，在相同的垂直荷载作用下，平均半径越大，径向变形越大，管壁越厚，径向变形越小。
当埋深较浅或较深时，应适当加大钢管的壁厚，这样才能保证局部失稳的要求。
6 设计实例：天津市杨柳青电厂供热管网于1997年开始设计，并于当年开始施工，1999年正式向市区供热，根据市规划、道路等有关部门的要求，市区管网主支干线只能采用直埋敷设方式，其中DN800～DN1000的管道长度约为10公里，热网设计供水温度150℃，供水压力1.6MPa，管材材质取用Q235钢，管顶埋深在1m~3m之间。
通过验算，由于供水温度高，管道安定性条件已不能满足，因此在杨柳青电厂供热管网中采用了有补偿设计，固定墩与补偿器间的距离L计算方法如下：L≤〔3[σ]- σt〕A•106/(1.6Fmax)式中：L —设计布置的固定墩和补偿器间距离；[σ] —钢材计算温度下的基本许用应力；σt —管道内压引起的环向应力；Fmax —管道的最大单长摩擦力。
采用的有补偿直埋敷设方式中补偿器的布置方式及管道工作时的应力分布如下简图所示：当采用图1中的直埋管道安装方式时，管道内的最大轴向应力σZ max发生在固定墩处，固定墩处应进行强度条件验算；同时由于管径大，钢管相对来说是薄壁壳体必须再对管道的局部失稳问题按前述公式进行校核计算。
固定墩处的应力必须同时满足以上两种校核计算结果，并以此为依据来确定固定墩与补偿器间的距离。
文献[3]介绍在温度的变化过程，在管道结构不连续处产生峰值应力如：弯头、三通、大小头和折角等处，会引起管道的疲劳破坏，即低循环疲劳破坏。