大管径供热管网直埋衍设技术应用

大管径供热管网直埋衍设技术应用

姜水1刘万庆2田野3

1,3沈阳热力工程设计研究院;2华能聊城热电有限公司

摘要：根据工程设计对大管径热网的应力进行分析。

关键词：直埋衍设：应力分析

为统一我国城镇直埋供热管道设计及施工、施工及验收标准，由建设部组织、审定的推荐标准《城镇直埋供热管道工程技术规范》（CJJ/T81-98）于1999年起开始实行。

在规范中，限于当时热网规模和实验数据只有DN500以下资料，在强度条件、管道热伸长计算当中对荷载作了简化处理，对小管径管道影响不大，但当管径逐渐增大以后，简化计算结果便产生较大偏差，是不安全的。

近年来，随着集中供热范围的扩大，大大超过了技术规程中的DN500，目前已经投入运行的已达DN1200，在可行性研究中，甚至达到DN1400。设计人员对超出的范围部分根据《城镇直埋供热管道工程技术规程》的基础上，借鉴其它相关规范的规定，进行扩充和探讨。

1.规程内规定的管道的安全状态

安全状态即管道不出现任何方式的破坏，通过演算使管道能够满足一定的安全条件。规章规定了必须进行的二种演算方式：管道的应力演算和稳定性演算。

1.1应力计算

热力管道应力验算主要形式：热力管道应力验算，采用－应力分类法。其主要特点是将管道上的应力分为二次应力和峰值应力三类，并采用相应的应力验算条件。以判断所设计是否安全、经济、合理。

(1)一次应力指管道由内压和持续外载作用下产生的应力，对一次应力演算应采用弹性分析或极限分析。应力演算标准为：一次应力的当量一次应力的当量应力不应大于钢材在计算温度下的基本许用应力〔σ〕。

(2)二次应力指管道由于热胀冷缩等变形受约而产生的应力，二次应力的特点变形为自限性的，对应力计算应采用安定性分析。所谓安定性分析是指结构不发生塑性变形之后，在留有残余应力的状态下，仍能安定在弹性状态。应力演算标准为：一次应力及二次应力的当量应力，不应大于钢材在计算温度下的基本许用应力〔σ〕的3倍。

(3)峰值应力是指管道及附件（如三通、弯头等）上由于局部结构不连续或局部热应力效应产生的应力增量。它的特点不引起显著的变形，是一种导致疲劳裂纹或脆的可能原因，必须根据管道整个使用周期所受的循环荷载进行疲劳分析。但对低循环次数的供热管道，对在管道上出现峰值应力的三通、弯头等局部应力集中处，可采用简化公式，计入应力加强系数进行应力演算。应力演算标准为：一次应力、二次应力和峰值应力和峰值应力的当量应力，不应大于钢材在计算温度下的基本许应力〔σ〕的3倍。

1.2稳定性验算

在外压作用下，往往管道的强度足够，却突然失去了原有的形状，管壁内的应力状态由单纯的压应力平衡，这种由稳定平衡向不稳定平衡过渡的现象称为失稳或稳定失效。埋地管道中介温度升高时，管道中产生轴向压力，管道有向轴向法线方向凸出使管道弯曲的倾向，称为管线的整体失稳。由于管道周围的约束，正常情况埋地管道在地下保持稳定。当周围土壤的约束力较小或因周围开挖而减小、受压管道会在纵向约束最弱的区域内失去稳定。竖向失稳可能由于设计考虑不周引起。

当管道的管径不大于DN500时，管道只会出现以上几种破坏形式，通过规程中规定的演算方式，满足条件后，管道将处于安全状态。

2.大管径管道自埋衍设设计补充分析

当管道的管径大于DN500时，管道的径厚比较大，除上述破坏形式外，径向失稳和局部失稳的概率将增大，会变成大管径直埋管道的主要失效形式。

2.1局部失稳

存在轴向压力的管道，管壁可能出现局部皱结，称为管线的局部失稳。演算钢管局部稳定性的强度条件。

对于处于锚固段的直管：

当r/δ>28.7时，ΔT≤（350r/δ＋8）℃ΔT

ΔT－钢管工作温度与安装温度之差（℃）；

r－钢管的平均半径（m）；

δ－管壁厚度（m）。

2.2径向失稳

管道受侧向外压的作用发生椭圆变化而导致失稳，称为径向失稳。演算钢管径向稳定性的强度条件，在《输油管道工程设计规范》（GB50253-94）中，规定了钢管的管顶垂直土荷载和地面车辆传到钢管上的荷载作用，其水平直径方向的变量不得大于管道外径的3％。变形量的计算公式为：

ΔX＝JKWr3/EI+0.06Eˊr3

ΔX－钢管水平方向的最大变形量（m）；

J－钢管变形滞后系数，应取1.5；

K－钢管基座系数，应取0.103－0.105；

W－单位管长的总垂直荷载，即管顶垂直土荷载和地面车辆传到钢管上的荷载（MN/m）；

r－钢管的平均半径（m）

I－管壁截面的惯性矩（m）

δ－管壁厚度（m）；

Eˊ－回填土的变形模量（Mpa），应力为2.0－2.8。

关于垂直荷载的选取，如管道衍设在非机动车道，可以考虑土荷载；如在非机动车道下，则应考虑地面车辆传到管子上的荷载。

通过上述分析，在大管径直埋衍设时，可通过以下二种方法来减少径向失稳和局部失稳发生的几率：加大管径壁厚，提高管道径厚比；采用预热安装或设置补偿器，降低管道升温运行时的应力水平，从而提高管道安全性。

热网采用二种敷设方式:架空敷设和直埋敷设两种方式。直埋管道采用有补偿直埋敷设,采用自然补偿和直埋波纹补偿器相结合的补偿方式.敷设的管道埋深不小1.2m。