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河北昊翔管件制造有限公司
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阅读：165发布时间：2013-7-27
直埋供热管道设计探讨
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摘要 为更好地利用《城镇直埋供热管道工程技术规程》指导工程设计，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，对实际管道系统中的直管段（包括过渡段、锚固段）、转角管段（弯头）、三通支管进行分析计算。对于满足规程验算条件的直管段，*可以无补偿敷设；当不能满足规程验算条件时，管道必须全部布置成过渡段，此时采用有补偿敷设。对于转角管段，只要合理确定长短臂长，就可以保证弯头的安全。三通是热网中zui脆弱的部位，应根据设计条件采用经济合理加固方案。
关键词 直埋 供热管道 有补偿 无补偿
0 引言 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、寿命长等诸多有点，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）发布，技术已经很成熟，实际运用也越来越广泛。
1 概述
1.1 规程适用条件
适用的供热介质温度≤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现有的试验数据只有DN500以下的资料，另外规程中在强度计算、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
一种是有补偿敷设方式，一种是无补偿敷设方式。无补偿敷具有投资省、工期短和施工简便的优点，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。近几年来的工程实践中应用的越来越多。
2 管网的布置和敷设
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。
3 管道受力计算与应力验算
3.1 应力验算方法
规程中明确提出，应力验算采用目前*的应力分类法。应力分类法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。当应力达到甚至超过屈服极*，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。这种应力是自限性的，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。这种应力采用疲劳分析。
国内外的实践证明，能充分发挥管材的承载能力，经济合理，因此规范明确采用应力分析法。
3.2 应力验算
对于实际的管道系统，通常是由直管段（包括过渡段、锚固段）、转角管段（弯头）、三通支管组成。因此需要应力验算的也就是这些部位。另外还有竖向稳定性验算，主要是判断埋地管道的埋深是否能保证地下管道的竖向稳定，防止地下管道失稳后从地面拱起。
3.2.1 直管段
首先要计算屈服温差，屈服温差是判断管道能否进入塑性状态工作的依据。然后计算过渡段的zui大、zui小长度，zui大轴向力及zui小轴向力，管道的热伸长量，具体公式见规程。直埋热力管道锚固段的应力zui大，因此对直管段而言，只要保证锚固段满足强度条件，则过渡段必然满足要求。下面利用一个实际的例子，利用规程里提供的简化公式4.3.5-1进行了计算，结果见表1。
计算条件：
管道的计算压力：Pd=1.4Mpa
工作循环zui高、低温度：t1=115℃，t2＝10℃
计算安装温度：t0=-5℃
钢管材质及特性参数：
材质为常用的Q235: 基本许用应力[б]=125MPa
线胀系数 α＝12.2 x 10-6m/m.℃
钢材的弹性模量 E=20 x104 Mpa
表1
| 公称直径 | 公称壁厚 | σj | 3[σ] |
| DN | δ mm | MPa | MPa |
| 80 | 3.5 | 267.68 | 375 |
| 100 | 4.0 | 268.45 | 375 |
| 125 | 4.0 | 271.51 | 375 |
| 150 | 4.5 | 272.53 | 375 |
| 200 | 6.0 | 273.10 | 375 |
| 250 | 7.0 | 274.33 | 375 |
| 300 | 7.0 | 277.97 | 375 |
| 350 | 7.0 | 281.61 | 375 |
| 500 | 7.0 | 285.84 | 375 |
从上表可以看出，在这样的计算条件下，均能满足规程4.3.5-1的应力验算条件。按规程4.3.5条的条文解释，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*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zui大允许长度按4.3.5-2计算，此时管网采用有补偿敷设方式。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。
3.2.2 转角管段
按规程4.4.1条规定，直埋水平弯头和纵向弯头升温弯矩及轴向力可采用弹性抗弯绞解析法或有限元法。计算弯头弯矩变化范围时，管道计算温差取工作循环zui高温度与工作循环zui低温度之差；计算轴向力时取工作循环zui高温度与计算安装温度之差。
应力验算按4.4.5条验算。这部分的计算，涉及的参数较多，*手动计算比较麻烦，因此本人利用规程中的公式编写了个小程序，部分计算结果如下，供同行参考。
短臂长度采用《暖通空调常用数据手册》（第二版）表1.13-44中的L型补偿器无沟埋设时的短臂zui小长度，按公式4.4.5-1计算出较大的长臂长度及弯头的应力值σbt+0.5pt，见表2。
计算条件同直管段例子计算条件，覆土深度1.0米，土壤zui大zui小摩擦系数取0.4/0.15，土壤反力系数4 x104 N/m3 ,弯头采用冲压弯头，其曲率半径取外径的1.5倍。
表2
| 公称直径 | 公称壁厚 | 短臂 | 长臂 | σbt+0.5pt |
| DN | δ mm | m | m | Mpa |
| 80 | 3.5 | 4 | 40 | 352 |
| 100 | 4.0 | 4 | 45 | 356 |
| 125 | 4.0 | 5 | 50 | 361 |
| 150 | 4.5 | 5 | 55 | 352 |
| 200 | 6.0 | 6.5 | 65 | 341 |
| 250 | 7.0 | 7.5 | 80 | 355 |
| 300 | 7.0 | 8.5 | 95 | 352 |
| 350 | 7.0 | 9 | 105 | 334 |
通过上表可以看出，只要合理选择臂长，保证焊缝质量，弯头处就是安全的。当弯头的曲率半径加大时，长臂还可以更长。实际工程中确定臂长时，要注意对固定墩推力的影响，臂长越长对固定墩的推力越大，因此对于臂长的确定要综合考虑。在布置管网和划分管段时，应尽可能减少固定墩的数量及受力，以便节省工程造价。
3.2.3 三通加固
在实际工程中，三通都是要加固的。据北京煤气热力设计院测试结果为，材质为A3的φ529×8的等经焊接三通在内压P=1.4MPa时，仅能承受40KN轴向推力，而直埋管道有可能出现2500KN左右的轴向荷载。因此在工程设计时，三通管应分不同管径进行特殊加固，大管径者还应进一步采取其它加固措施。规程附录中给出的一种加固方案，我们可以参照使用，使用时注意其使用条件，以免乱用从而提高了工程造价。对于95/70度的二级网的嵌固段，应根据轴向力，由结构专业配合，合理加固，尽量降低工程造价。
3.2.4 其他
作为一个完整的供热管道系统设计，还要进行管道竖向失稳验算，固定墩的受力及抗滑移、抗倾覆验算。管道竖向失稳验算可先参照规程3.1.2条的表3.1.2确定埋深，然后再根据设计条件利用规程中的公式验算管网是否竖向稳定。固定墩的受力及抗滑移、抗倾覆验算可以和结构专业配合设计。
4 总结
通过上面的分析，对于95/70度以下的二级网，*可以放心地采用无补偿直埋技术，在布置管网时，应结合现场情况，尽可能利用自然补偿，减少固定墩的数量，保护好弯头和三通，就可以保证管网的安全运行。
对于水温较高的一级热网。首先要根据设计条件计算一下锚固段的轴向力，然后再根据规程中的验算公式来确定是否能采用无补偿直埋。通常比较安全的做法是一级网供水管有补偿，回水管无补偿。当可以采用无补偿敷设时，由于锚固段的应力非常大，因此在布置管道时，可以采用适当设补偿器及合理布置驻点的方法，来减少固定墩的数量及受力，降低工程造价。
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，1998
[2] 中华人民共和国建设部.《城市热力网设计规范》（CJJ34-2002 J216-2002）.北京：中国建筑工业出版社，2003
[3] 北京市热力工程设计公司等.《城镇供热管网工程施工及验收规范》（CJJ28-2004）. 北京：中国建筑工业出版社，2005
[4] 建筑工程常用数据系列手册编写组.《暖通空调常用数据手册（第二版）》.北京：中国建筑工业出版社，2002
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