直埋供热管道设计浅析

直埋供热管道设计浅析
【摘要】为更好地利用《城镇直埋供热管道工程技术规程》指导直埋供热管道工程设计，本文按照规程的思路框架，结合实际工程的设计步骤，采用规程中的简化公式，对实际直埋供热管道的应力验算、保温结构与性能进行分析。

【关键词】直埋；供热管道；设计；浅析
1.概述
城镇直埋供热管道敷设方式同传统的地沟敷设相比具有占地少、施工周期短、维护量小、寿命长等诸多优点，非常适合城市建设的要求，随着《城镇直埋供热管道工程技术规程》（以下简称为规程）的发布，技术已经很成熟，实际运用也越来越广泛。

1.1规程适用条件
本规程适用于供热介质温度≤150℃、公称直径≤dn500的钢制内管、保温层、保护外壳结合为一体的预制保温直埋热水管道。

这里对适用条件提出了两个界限，即温度界限和管径界限。

在规程总则的条文说明中给出了详细的解释，温度条件是设计热网经济性和安全性的重要参数，针对的是预制保温管的保温材料耐温能力、使用寿命，另外根据现有理论在强度方面这个温度也是安全的；采用管径界限是因为规程中在强度计算、管道热伸长计算中对荷载做了简化，对小管径误差不大，对大管径而言计算结果会有较大偏差，是不安全的。

在使用本规程时必须满足其适用条件。

1.2直埋敷设方式
直埋敷设分有补偿敷设和无补偿敷设两种。

无补偿敷设具有投资省、工期短和施工简便的优点；有补偿敷设相对于无补偿敷设来说，投资较大、占地较多、工期较长、施工较复杂。

因此在满足管网安全的前提下，要优先采用无补偿敷设方式，近几年来在工程实践中应用的越来越多。

1.3管网的布置与敷设
在确定了各单体建筑的入口之后，结合管网综合图来布置管线，满足热力管道与其他管线的间距要求。

管网的其他要求如管道覆土深度、排气泄水、分支管三通弯头的保护、阀门附件的要求等详见规程中的具体要求。

2.管道应力验算
规程中明确提出，应力验算采用目前国内外先进的应力分类法。

应力分类法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。

一次应力：是由管道内压及持续外载产生的应力（力作用）。

当应力达到甚至超过屈服极限时，管道将产生较大变形甚至破坏。

这种应力是非自限性的，应力验算采用弹性分析或极限分析。

二次应力：是由于管道热胀冷缩等变形受约束而产生的应力（位移作用）。

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，采用安定性分析。

峰值应力：指管道或附件（如三通等）由于局部结构不连续或局
部热应力效应而产生的应力增量。

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[б]；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[б]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[б]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：
бj=（1-v）бt-αe（t2-t1）≤3[б] （1）
式中бj——内压、热胀应力的当量应力变化范围，mpa；v——钢材的泊松系数；
бt——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。

例如：当t1=115℃、t2=10℃、管道设计压力p=1.4mpa时，φ529
×9管道和φ89×3.5管道的当量应力变化范围分别为285.84mpa 和267.68mpa，而q235-a钢管的基本许用应力的三倍为375mpa。

因此，满足这个验算条件的直管段在布置时的长度是不受限制的，也就是允许管道存在锚固段，即完全可以无补偿。

当不能满足这个验算条件时，则管道必须全部布置成过渡段，过渡段的最大允许长度按规程的相关公式计算，此时管网采用有补偿敷设方式。

3.直埋供热管道保温结构及性能
直埋供热管道由钢制内管、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。

直埋供热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，因此规程中要求保温层的抗压强度≥200kpa。

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+dc/2）dc （2）
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，9.81m2/s；
μ——土壤与管壳之间摩擦系数；
h——管顶覆土深度，当h>1.5m时，取1.5m；
dc——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=fmax/πdc=ρgμmax（h+dc/2）（3）
式中fmax——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。

例如：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13.6kpa。

因此，规程中要求直埋供热管道的保温层剪切强度（含与内管和外壳粘结≥120kpa。

4.总结
（1）在实际工程中应根据设计条件对直管段进行应力验算，来确定是否可采用无补偿敷设。

（2）直埋供热管道应有足够的强度并与钢管粘结为一体，其抗压、剪切强度必须满足规程要求。

【参考文献】
[1]中华人民共和国建设部.城镇直埋供热管道工程技术规程.（cjj/t 81-98）.北京：中国建筑工业出版社，1999.
[2]中华人民共和国住房和城市建设部.城市供热管网设计规范.（cjj34-2010备案号j1074-2012）.北京：中国建筑工业出版社，
2010.
[3]王致祥等.管道应力分析与计算[m].北京：水利电力出版社，1983.。