大管径直埋供热管道设计方法解析

赵宁

新疆城乡规划设计研究院有限公司 新疆乌鲁木齐 830000

【摘要】本文结合大管径直埋供热管道的破坏特征，结合大管径直埋供热管道的特征，优化管道的强度条件和稳定条件等，提出大管径直埋供热管道设计方法，提高大管径直埋供热管道质量。

关键词：大管径；直埋供热管道；设计方法

当前在城镇集中供热系统中普遍利用大管径直埋供热管道，大管径直埋供热管道具有较高的运行压力和温度，因此使用年限比较长，同时具有较大的工程量，整体造价比较高。但是当前缺乏大管径直埋供热管道的设计规范，在实际工作中，影响到管道的安全性和经济性，同时还会增加整体管网的运行风险。因此设计人员需要掌握大管径直埋供热管道的设计方法，保障供热管网运行的安全性和经济性。

1. 分析大管径直埋供热管道的应力

1. 应力分析

因为力作用产生的应力为一次应力，静力平衡条件关系到一次应力的产生。如果一次应力超过极限值，管道将会呈现出塑性流动，甚至会发生爆裂和断裂等问题。热胀变形和管道沉降将会产生位移作用，此外土壤轴向摩擦力和压缩反力也会产生位移作用。因为位移作用产生的应力为二次应力，变形协调条件关系到二次应力的产生，产生变形之后将会降低应力，避免再次发生变形问题。如果二次应力超过了极限值，钢材将会发生屈服问题，不会发生塑性变形问题，但是不会发生塑性流动。此外在管道局部不连接的部位，在力作用和位移作用的影响下，将会集中应力，因此产生峰值应力。峰值应力不会引发变形问题，但是峰值应力不断循环变化，将会损伤钢材内部结构，管道发生疲劳损坏。^【1】

2. 应力计算

因为大管径直埋供热管道具有较大的自重，管道发生轴向位移问题之后，可以忽略管道和土壤的摩擦力。摩擦力计算公式为：F=μ[πρg（h+D_w/2）D_w+G]。

在上式中，F代表轴线方向管道摩擦力（N/m）；μ代表外管壳和土壤之间的摩擦系数；Ρ代表土壤密度；g代表重力加速度（m/s²）；h代表管顶覆土深度（m）；D_w代表预制保温管外壳的外径（m）；G代表每米预制保温管满水重量（N/m）。

2. 大管径直埋供热管道的失效分析

1. 强度失效

1. 无线塑性流动：如果一次应力超过了大管径直埋供热管道屈服应力，在管壁部位将会产生塑性变形问题，因此产生塑性流动，导致管道发生爆裂和断裂等问题。

2. 循环塑性变形：温度应力直接关系到大管径直埋供热管道运行，如果温度变化比较大，将会引发热胀变形问题，无法完全释放热量，在升温阶段将会产生轴向压应力，导致管壁产生轴向压缩塑性变形问题。在降温阶段，在轴向拉应力的作用下，导致管壁产生轴向拉伸塑性变形问题。在使用管道的过程中，如果循环变化压力和温度变化应力超过了2倍屈服应力，将会产生循环塑性变形问题。^【2】

3. 疲劳破坏：在管道弯头和三通等部位很容易集中应力，如果压力和温度发生变化，将会集中应力，在小范围内峰值应力将会产生循环塑性变形问题。因为这一区域属于弹性区域，因此不会发生爆裂。发生塑性变形之后，在钢材损伤作用下，管道很容易发生疲劳破坏问题。不断增加峰值应力，也会逐渐缩短疲劳破坏的发生周期。

2. 稳定失效

1. 整体失稳：如果无法释放热胀变形，不断增大轴向压力，再加上压杆效应，影响到整体管线的稳定性。

2. 局部失稳：管道属于一种薄壳体，产生轴向应力之后，在管道局部将会发生皱结问题，影响到局部的稳定性。

3. 椭圆化变形：在土壤荷载和交通荷载的影响下，将会在管道界面形成椭圆化变形问题，如果椭圆化变形比较大，将会直接破坏管道。^【3】

3. 大管径直埋供热管道设计方法

1. 局部失稳和椭圆化变形

如果大管径直埋供热管道管径在500mm以内，管道会出现无限塑性流动和疲劳破坏等问题。在计算管道强度的过程中，需要满足相关强度条件，保障管道运行的安全性。如果大管径直埋供热管道管径在500mm以上，管道主要失效方式为局部失稳和截面椭圆化变形问题。因此要保障管道满足新的强度要求，这样才可以保障管道状态的安全性。

1. 局部失稳：管道轴向应变将会引发局部失稳，热胀变形和释放程度关系到轴向应变。此外管道界面参数也直接影响到局部失稳。如果管道轴向应变相同，不断增加管壁厚度，将会随之减小局部失稳的可能性，不断增大钢管平均半径，将会随之增加局部失稳发生率。

2. 椭圆化变形：管道上垂直荷载将会引发径向变形问题。不断增加管道埋深，将会增大土壤荷载，同时会随之减小车辆荷载。管道界面也关系到径向变形情况，如果垂直荷载相同，不断增加钢管平均半径，将会随之增大径向变形。增加管壁厚度之后，将会减小径向变形。

在土壤压力和车辆荷载的影响下，分析钢管界面椭圆形变形稳定条件，需要控制钢管截面径向变形在钢管外径30%以内。^【4】

2. 设计要点

在设计大管径直埋供热管道的过程中，需要严格遵守规程，同时需要采取有效的措施保障整体和局部的稳定性，避免发生椭圆化变形。

1.设计人员可以合理增加钢管壁厚，同时需要提高大管径直埋供热管道的刚度，使整体抗失稳能力因此提高，避免发生截面椭圆形变形。此外可以增加覆土的深度，不能在管线的周围开沟，使管道抗纵向失稳反力和抗水平失稳能力因此提高，避免发生整体失稳的问题。

2.利用预应力安装措施，合理增加安装温度，在运行过程中，有效减少温升和轴向应力，减少热胀变形，否则将会发生局部失稳的问题。

3.通过设置补偿器或者弯管，可以使热胀变形的释放程度因此提高，避免在大管径直埋供热管道在运行阶段发生局部失稳的问题。针对地下敷设管道，很容易发生折角问题，在布置管道的过程中，可以分解大折角为几个小角度折角。如果折角距离比较近，可以利用大弯曲半径的弯管，避免在折角部位集中预应力而发生局部失稳问题。

结束语：

大管径直埋供热管道存在较多的影响因素，因此设计人员需要优化设计大管径直埋供热管道，有效控制已知的管道破坏方式。虽然可以利用直埋敷设方式，但是为了提高安全等级，要尽量选择利用有沟敷设方式。

参考文献：

[1]刘玉灿,张忠兴,苏庆亮,田一,迟尊浩,陈年文,孙慧娣,马明玉,张晓倩,耿梦泽.供热管道保温层厚度的动态优化数值模拟研究[J].建筑节能(中英文),2021,49(02):97-102.

[2]王双印.直埋供热管道顶管穿越道路的布置形式与应力分析[J].区域供热,2020(06):122-129.

[3]刘鸿恺,白莉,郭禹歧.水平直埋供热管道热损失影响因素敏感性分析[J].吉林建筑大学学报,2020,37(05):41-48.

[4]丁珊珊,代康,江辰,刘高升.电预热施工技术在河道供热管道施工中的应用[J].安装,2020(09):37-40.