【摘要】本文主要討論了直埋供熱管道的設(shè)計(jì)與施工理論。首先分析管道系統(tǒng)承受的作用(荷載)，探討了防止直管破壞的設(shè)計(jì)方法，最后提出管道的布置和敷設(shè)原則。
【關(guān)鍵詞】直埋供熱管道；設(shè)計(jì)；施工
直埋敷設(shè)已成為我國(guó)區(qū)域供熱管網(wǎng)推薦的一種敷設(shè)方式，其與傳統(tǒng)的地溝敷設(shè)方法相比具有占地少、施工周期短、維護(hù)量小、節(jié)約投資、壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，很適合城市建設(shè)的要求，在我國(guó)已得到一定范圍的應(yīng)用。
1 直埋供熱管道的設(shè)計(jì)方法
1.1 直埋供熱管道的作用及應(yīng)力特點(diǎn)
所有使管道產(chǎn)生內(nèi)力及應(yīng)力的因素都稱(chēng)為作用(又稱(chēng)荷載)。不同類(lèi)型的作用，使管道產(chǎn)生不同性質(zhì)的應(yīng)力，進(jìn)一步可能導(dǎo)致不同方式的破壞。溫度和壓力是熱力管道上最主要的兩種作用。對(duì)于直埋管道，還有軸向位移產(chǎn)生的土壤軸向摩擦力和側(cè)向位移產(chǎn)生的土壤側(cè)向壓縮反力。另外，在管道局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)為峰值應(yīng)力。峰值應(yīng)力不會(huì)引起顯著的變形．但循環(huán)變化的峰值應(yīng)力，也會(huì)造成鋼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷，導(dǎo)致管道疲勞破壞。管道在彎頭、三通處產(chǎn)生的應(yīng)力屬于峰值應(yīng)力。由于土壤的均勻支撐，管道的自重沒(méi)有產(chǎn)生自重彎曲應(yīng)力，故一般忽略不計(jì)。但是對(duì)于熱網(wǎng)中常用的管道，其公稱(chēng)壁厚要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該壓力所需的設(shè)計(jì)壁厚，內(nèi)壓產(chǎn)生的實(shí)際應(yīng)力也就遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管材的屈服應(yīng)力。相反，由于管道中熱脹變形不能完全釋放，使管道產(chǎn)生了較大的軸向壓力和壓應(yīng)力，其中軸向壓應(yīng)力可能與屈服應(yīng)力處于同一數(shù)量級(jí)上。
1.2 防止直管破壞的設(shè)計(jì)方法
1.2.1 防止循環(huán)塑性破壞的設(shè)計(jì)方法
管道溫度在管道工作循環(huán)最高溫度與最低溫度問(wèn)變化時(shí)，所產(chǎn)生的應(yīng)力變化是循環(huán)塑性破壞的起因。無(wú)論是錨固狀態(tài)的管道，還是滑動(dòng)狀態(tài)的管道，應(yīng)力變化都與安裝溫度無(wú)關(guān)，故預(yù)應(yīng)力安裝不解決冷安裝的循環(huán)塑性破壞的問(wèn)題。當(dāng)錨固狀態(tài)的直管段滿(mǎn)足不產(chǎn)生循環(huán)塑性破壞的安定性條件時(shí)，錨固狀態(tài)的管道允許存在，該直管段可以采用無(wú)補(bǔ)償安裝方式，當(dāng)然包括了無(wú)補(bǔ)償冷安裝方式。否則，應(yīng)在該直管段設(shè)置補(bǔ)償裝置，并通過(guò)調(diào)整補(bǔ)償裝置間距，控制管段上的應(yīng)力變化，使之不產(chǎn)生循環(huán)塑性破壞，這時(shí)，該直管段就變成有補(bǔ)償安裝方式。
1.2.2 防止整體失穩(wěn)破壞的方法
在進(jìn)行直埋供熱管道設(shè)計(jì)時(shí)，除考慮循環(huán)塑性破壞外，還要考慮穩(wěn)定性問(wèn)題。管道溫度從安裝溫度升高到管道工作循環(huán)最高溫度時(shí)，所產(chǎn)生的升溫軸向壓力是整體失穩(wěn)破壞的起因。在冷安裝條件下，錨固的直管段滿(mǎn)足穩(wěn)定性條件時(shí)，該直管段可采用無(wú)補(bǔ)償冷安裝方式。一般地講，供水溫度不高于130℃、管徑不大于DN500的熱網(wǎng)，采用無(wú)補(bǔ)償冷安裝方式都能保證不出現(xiàn)循環(huán)塑性破壞；當(dāng)埋深在1米以下時(shí)，還能保證不出現(xiàn)整體失穩(wěn)。由于一般的熱網(wǎng)都可滿(mǎn)足上述條件，故從直管段強(qiáng)度的角度，采用無(wú)補(bǔ)償冷安裝方式是沒(méi)有問(wèn)題的。但是，從保護(hù)三通、彎頭、折角、大小頭和閥門(mén)等薄弱部件以及減小固定墩推力的角度，有時(shí)在局部管段還要采用設(shè)置補(bǔ)償裝置的有補(bǔ)償安裝方式。至于預(yù)應(yīng)力安裝方式，由于只能解決穩(wěn)定性的問(wèn)題，而通過(guò)增加覆土深度或設(shè)置補(bǔ)償裝置解決穩(wěn)定性問(wèn)題，通常會(huì)更經(jīng)濟(jì)一些，故預(yù)應(yīng)力安裝方式的使用變得越來(lái)越少。
2 直埋供熱管道的施工方法
2.1 直埋供熱管道的安裝方式
直埋管道中的應(yīng)力是熱脹變形不能完全釋放而產(chǎn)生的。因此。通過(guò)選擇不同的安裝方式，可以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。熱脹變形的大小與零應(yīng)力狀態(tài)對(duì)應(yīng)的溫度有關(guān)，零應(yīng)力狀態(tài)溫度的提高，可降低熱脹變形的大小。根據(jù)此溫度是否等于安裝時(shí)的環(huán)境溫度，管道可分為兩種。冷安裝：零應(yīng)力狀態(tài)對(duì)應(yīng)的溫度等于安裝時(shí)的環(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。根據(jù)熱脹變形能否釋放，管道又可分為兩種。無(wú)補(bǔ)償安裝：兩固定墩之間或遠(yuǎn)離補(bǔ)償裝置而處于錨固狀態(tài)的管道(錨固段)，其熱脹變形不能被補(bǔ)償裝置所吸收。有補(bǔ)償安裝：補(bǔ)償裝置附近處于滑動(dòng)狀態(tài)的管道(滑動(dòng)段)，其熱脹變形能被補(bǔ)償裝置所吸收。
2.1.1 無(wú)補(bǔ)償冷安裝
管道回填時(shí)，既不進(jìn)行預(yù)應(yīng)力，也不進(jìn)行補(bǔ)償，溫度變化時(shí)管段處于不動(dòng)的錨固狀態(tài)。無(wú)補(bǔ)償冷安裝是最簡(jiǎn)單和最經(jīng)濟(jì)的安裝方式，但運(yùn)行工況下管道承受較高應(yīng)力。在滿(mǎn)足強(qiáng)度條件時(shí)，管段應(yīng)優(yōu)先采用這種安裝方式。
2.1.2 有補(bǔ)償安裝
當(dāng)管段中設(shè)置補(bǔ)償裝置(彎管補(bǔ)償器或波紋管補(bǔ)償器)時(shí)，補(bǔ)償裝置附近處于滑動(dòng)狀態(tài)的管段屬于有補(bǔ)償安裝。由于設(shè)置彎管補(bǔ)償器或波紋管補(bǔ)償器，必然增加了補(bǔ)償裝置的投資，對(duì)于波紋管補(bǔ)償器，還增加了管網(wǎng)的事故點(diǎn)。因此，應(yīng)避免在整個(gè)管網(wǎng)中都采用有補(bǔ)償安裝方式，但在管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，局部管段采用這種安裝方式還是比較安全經(jīng)濟(jì)的。
2.1.3 預(yù)應(yīng)力安裝
預(yù)應(yīng)力安裝方式，實(shí)質(zhì)上是改變管道的安裝溫度，使之等于預(yù)熱溫度，當(dāng)管道溫度等于預(yù)熱溫度時(shí)，管道應(yīng)力為零。而當(dāng)管道溫度恢復(fù)至環(huán)境溫度時(shí)，使管道產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力效果�？梢酝ㄟ^(guò)預(yù)熱的方式和采用一次性補(bǔ)償器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力安裝方式：(1)預(yù)熱方式是管道在回填前進(jìn)行預(yù)熱，加熱到預(yù)熱溫度時(shí)進(jìn)行回填，立即可產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力效果。采用預(yù)熱方式時(shí)，應(yīng)具備預(yù)熱熱源，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)條件允許管溝敞口。(2)采用一次性補(bǔ)償器的方式時(shí)，管道安裝后可立即回填。在首次加熱過(guò)程中，當(dāng)補(bǔ)償管段的熱脹變形量達(dá)到在預(yù)熱溫度下的自由膨脹變形量時(shí)，就可焊接該一次性補(bǔ)償器。通過(guò)多次溫度變化，使應(yīng)力均勻分布，從而達(dá)到預(yù)應(yīng)力效果。采用一次性補(bǔ)償器的方式，不需要預(yù)熱熱源，并且只需補(bǔ)償器附近的管溝敞口，但是增加了一次性補(bǔ)償器的費(fèi)用。
2.2 直埋供熱管道的布置和敷設(shè)
2.2.1 管材的選擇
埋地?zé)崃艿纼?nèi)壓一般都很低，由內(nèi)壓引起的總體一次薄膜應(yīng)力不足允許值的50％。發(fā)生直接爆破破壞的可能性很小，破壞的最大可能是由溫度應(yīng)力引起的塑性疲勞破壞。因此，在選擇管材時(shí)，應(yīng)主要從抗疲勞性能來(lái)考慮。這就要求選擇塑性比較好、易焊接的材質(zhì)，一般10#、20#鋼種較為適宜。軸向溫度應(yīng)力與管壁橫截面積的大小無(wú)關(guān)，增加壁厚并不能降低管壁內(nèi)的軸向應(yīng)力。相反，它可能增加對(duì)固定墩的推力和過(guò)渡段的熱伸長(zhǎng)量。因此，管壁應(yīng)盡可能選擇較薄的規(guī)格。在實(shí)際工程中有時(shí)由于供貨條件的原因，同一直徑的管子可能有兩種以上的規(guī)格。此時(shí)，應(yīng)注意避免不同規(guī)格的管子混合使用。
2.2.2 管道的布置
直埋供熱管道的布置應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《城市熱力網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。直埋供熱管道穿越河底的覆土深度應(yīng)根據(jù)水流沖刷條件和管道穩(wěn)定性條件確定。直埋供熱管道上的閥門(mén)應(yīng)能承受管道的軸向荷載，宜采用鋼制閥門(mén)及焊接連接。直埋供熱管道變徑處(大小頭)或壁厚變化處，應(yīng)設(shè)補(bǔ)償器或固定墩，固定墩應(yīng)設(shè)在大管徑或壁厚較大一側(cè)。直埋供熱管道的補(bǔ)償器，變徑管等管件應(yīng)采用焊接連接。
2.2.3 管道的敷設(shè)
直埋供熱管道的高處宜設(shè)放氣閥，低處宜設(shè)放水閥。管道應(yīng)利用轉(zhuǎn)角自然補(bǔ)償，但是10—60的彎頭不宜用做自然補(bǔ)償。從干管直接引出分支管時(shí)，在分支管上應(yīng)設(shè)固定墩或軸向補(bǔ)償器或彎管補(bǔ)償器，并應(yīng)符合下列規(guī)定：分支點(diǎn)至支線(xiàn)上固定墩的距離不宜大干5m，分支點(diǎn)至軸向補(bǔ)償器或彎管的距離不宜大于20 m，分支點(diǎn)有干線(xiàn)軸向位移時(shí)，軸向位移量不宜大于50mm。三通、彎頭等應(yīng)力比較集中的部位，應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算不通過(guò)時(shí)可采取設(shè)固定墩或補(bǔ)償器等保護(hù)措施。當(dāng)需要減少管道軸向力時(shí)，可采取設(shè)置補(bǔ)償器或?qū)艿肋M(jìn)行預(yù)處理等措施。當(dāng)?shù)鼗浻膊灰恢聲r(shí)，應(yīng)對(duì)地基做過(guò)渡處理。埋地固定墩處應(yīng)采取可靠的防腐措施，鋼管、鋼架不應(yīng)該裸露。軸向補(bǔ)償器和管道軸線(xiàn)應(yīng)一致，距補(bǔ)償器12m范圍內(nèi)管段不應(yīng)有變坡和轉(zhuǎn)角。
