直埋热力管道设计理论浅析

直埋热力管道设计理论浅析
摘要：根据直埋热水管道和直埋蒸汽管道的不同特性，介绍了两种管道的
应力验算及强度计算，并对两种直埋热力管道的敷设方式和保温结构进行了
分析比较。

关键词：直埋热水管道；直埋蒸汽管道；应力计算；保温结构
1、概述
国内外热力管道直埋技术的发展已经有 60 多年的历史。

随着高分子有机材料的发展，20 世纪 50年代初，国外开始研制预制保温管，采用聚氨酯泡沫塑料作保温材料，以高密度聚乙烯作为保温管的外壳。

由于这种保温管具有较好的防水性，因而可用于地下水位高、土壤潮湿的地区。

国内在 20 世纪 50 年代曾经采用浇灌泡沫混凝土的管道直埋敷设方式，20 世纪 70 年代采用沥青珍珠岩保温的热力管道直埋敷设技术。

1977 年对用沥青珍珠岩保温的直埋热力管道进行了无补偿直埋敷设实验。

20世纪 80 年代出现了两种新型的预制保温管：一种是保温结构为氰聚塑形式的预制保温管，一种是管中管形式的预制保温管。

目前这两种形式的预制保温管已大量生产，并广泛应用于城市供热管网及工矿企业。

近年来采用复合保温管结构的直埋热力管道也得到越来越广泛的应用。

随着我国“热电联产”的迅速发展，热力管道敷设方式有了重大变革，目前对150℃以下的热水管道，几乎全部实现直埋敷设，经过多年的研究开发和实际应用，技术已比较成熟和配套，并已有相应的技术规程做指导。

蒸汽管道直埋敷设近年来也得到了长足的发展。

经过多年的探索，现已出现理想的预制直埋式耐高温复合保温管，并探索出一整套科学的、实用的蒸汽管道直埋敷设设计方法和节点处理技术措施。

直埋热水管道和直埋蒸汽管道在设计、施工要求上均有很大不同。

本文从两种管道的应力验算、保温结构等方面进行分析和比较。

2、应力验算
直埋热水管道和直埋蒸汽管道的应力验算均采用应力分类法［1］。

应力分类法的主要特点是将管道上的应力分为一次应力、二次应力和峰值应力三类，并采用相应的应力验算条件。

管道由内压和持续外载产生的应力属于一次应力，它是为了满足静力平衡条件而产生的。

当应力强度达到甚至超过屈服极限时，由于材料进入屈服或静力平衡条件得不到满足，管道将产生过大变形甚至破坏。

一次应力的特点是变形为非自限性的，对应力验算应采用弹性分析或极限分析。

管道由于热胀、冷缩等变形受约束而产生的应力属于二次应力，它是为了满足结构各部份之间的变形协调而引起的应力。

当部分材料超过屈服极限时，由于产生小量的塑性变形，变形协调得到满足，变形就不再继续发展。

它具有自限的特点。

对二次应力采用安定性分析。

所谓安定性是指结构不发生塑性变形的连续循环，管道在有限量塑性变形之后，在留有残余应力的状态下，仍能安定在弹性状态。

安定性分析允许的最大弹性应力变化范围是屈服极限的两倍。

峰值应力是指管道或附件（如三通等）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。

它的特点是不引起显著的变形，是一种导致疲劳裂纹或脆性破坏的可能原因，必须根据管道整个使用期限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计算。

在计算中，直埋供热管道的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］；二次应力及一次应力的当量应力变化范围不应大于钢材在计算温度下基本许用应力［σ］的三倍；管道局部应力集中部位的一次应力、二次应力和峰值应力的当量应力变化幅度不应大于钢材在计算温度下基本许用应力［σ］的三倍。

根据安定性理论，当直管段的当量应力变化范围满足下列表达式的要求时，管系中允许有锚固段存在：σj=（1 -v）σt-αE（t2- t1）≤3［σ］（1）式中σj ———内压、热胀应力的当量应力变化范围，MPa；
v———钢材的泊松系数；
σt ———管道内压引起的环向应力，MPa；
α———钢材的线膨胀系数，m / m・℃；
E ———钢材的弹性模量，MPa；
t2———管道工作循环最低温度，℃；
t1———管道工作循环最高温度，℃；
［σ］———钢材在计算温度下的基本许用应力，MPa。

管道内压引起的环向应力σt按下式计算：
σt=P（D - 2δ）/ 2δ（2）
式中P——管道内压力，MPa；
D——管道外径，mm；
δ——管道壁厚，mm。

通过计算，供热管道介质温度不超过150 ℃时，仍然满足上述要求。

例如：当t1=150 ℃、t2= 5 ℃、P = 1. 0 MPa时，D529 × 9 管道和D57
× 3. 5 管道的当量应力变化范围分别为368 MPa和355 MPa，而Q235 - A 钢管的基本许用应力的三倍为375 MPa。

在工程应用中，集中供热热水温度通常低于150 ℃（如热水一次网供、回水温度通常为130 ℃/ 80 ℃，二次网供、回水温度通常为95 ℃/ 70 ℃），而集中供热蒸汽温度通常高于150 ℃（如热电厂对外供热蒸汽温度通常为300 ℃，集中供热站对外供汽温度通常为194 ℃），这表明直埋热水管道允许有锚固段存在，而直埋蒸汽管道不允许有锚固段存在，这一区别导致了直埋热水管道和直埋蒸汽管道在敷设方式和保温结构方面的不同。

直埋热水管道由于允许有锚固段存在，因而可以采用无补偿敷设方式，其保温结构可以和钢制内管粘合为一体，一起锚固在土壤中；而直埋蒸汽管道不允许有锚固段存在，只能采用有补偿敷设方式，使温差产生的轴向应力被补偿器或有补偿能力的管件平衡，其保温结构应和钢制内管脱开，以利于钢制内管的热位移。

3、直埋热力管道保温结构及性能
直埋热水管道由钢制内管、保温层和保护外壳结合为一体，保温层和保护外壳组成保温结构。

保温管直埋地下，直埋热水管道保温结构除具有管道保温的功能外，还具有传递力、抵抗土壤压迫的功能。

保温层和外壳必须具有足够的强度以克服土壤对管壳在管道径向产生的压力和管道在土壤中横向位移时土壤对管壳的挤压，保证保温结构形状完整；DN500 埋深1. 5 m，管道承受约37. 2 kPa 的压力，如管道有径向（横向）位移，每位移 1 mm，所承受的压力有 3 ～ 4 kPa （管道四周为粉质粘土或砂质粉土，回填密实度为 90% ～ 95%，土壤横向压缩反力系数取3 × 10 ～ 4 × 10 N / m3），因此规范中要求保温层具有大于200 kPa 的抗压强度。

外壳、保温层和钢管相互之间的粘结强度也是保证保温结构完整所必须的。

直埋供热管道的保温层需要能传递剪切力，以克服管道轴向位移时土壤对管道外壳的摩擦力。

单位长度直埋敷设预制保温管的外壳与土壤之间的摩擦力，按下式计算：
F =πρgµ（ H + D
c / 2）D
c
（3）
式中F———轴线方向每米管道的摩擦力，N / m；
ρ———土壤密度，kg / m3；
g———重力加速度，9. 81 m2/ s；
µ———土壤与管壳之间摩擦系数；
H———管顶覆土深度，当H > 1. 5 m时，取1. 5 m；
D
c
———管外壳直径，mm。

外壳与保温层粘结的牢固程度以及保温层与内钢管粘结的牢固程度都应证传递轴向剪切力，其剪切强度为：
τ = F
max /πD
c
=ρgµmax（H + D c/ 2）（4）
式中F
max
———土壤与管壳最大摩擦力，N / m；
µmax———土壤与管壳之间最大摩擦系数。

经计算，对 DN20 保温管保温层与内钢管表面粘结抗剪强度必须大于
37.2kPa。

对于DN500 保温管外壳与内保温层粘结抗剪强度要大于13. 6 kPa，因此，规范中要求保温层剪切强度（含与内管和外壳粘结）大于或等于120 kPa。

与直埋热水管道不同，直埋蒸汽管保温结构国内外基本上均是采用脱开式，即钢制内管与保护外壳之间在运行中有轴向位移。

目前主要有以下几种形式：无机 - 有机复合型（其组成由内至外依次为钢制内管—减阻层—无机保温层—有机保温层—外护套管），纯无机型（钢制内管 - 无机保温
层- 空气层—外护套管），双套管复合型（钢制内管—无机保温层—空气层—内套管—有机保温层—外护套管）。

前者为内滑动式，即钢制内管与保温层之间通过减阻层隔开，减阻层作为滑动面；后两者为外滑动式，即保温层与外护套管之间通过空气层隔开，空气层作为滑动面。

减阻层通常选用硅酸铝纤维，无机 - 有机复合型的无机保温层应选用硬质保温材料，如硅酸钙；纯无机型和双套管复合型的无机保温层宜选用半硬质纤维类保温材料，有机保温层选用聚胺酯，外护套管可为高密度聚乙烯套管、玻璃钢套管和钢套管，采用钢套管时，应做外防腐，必要时加电化学保护。

结语
直埋热水管道和直埋蒸汽管道的应力验算均采用应力分类法，但由于这两种管道的工作温度不同，使得这两种管道的敷设方式和保温结构都不相同，设计时应加以区别。

参考文献：［1］CJJ / T 81 - 98，城镇直埋供热管道工程技术规程［S］ .
［2］王致祥等 . 管道应力分析与计算［M］. 北京：水利电
力出版社，1983.。