供热管道直埋敷设技术现状探讨

供热管道敷设可以采用以下几种方法：地上敷设、管沟敷设和直埋敷设。与以往的管沟敷设方式相比，直埋敷设具有占地少、施工周期短、维护量少、节约投资、寿命长等优点，同时，在国内外专业技术人员的共同努力下，直埋敷设技术不断发展，这些都使得直埋敷设方式逐渐成为我国供热管道敷设中最常用的敷设方式。

近几年来，随着国内供热管网规模的扩大，原有的直埋敷设管道的设计和施工方法已经不能满足要求。一些权威的设计院采用在原有设计方法的基础上引用国外的新技术或者重新考虑安全系数等方法来进行直埋敷设管道的受力设计，并在工程实际中不断的积累经验、探索和提出新的受力计算方法。

本文对国内外直埋敷设发展现状进行浅析。通过对相关文献的研究和对国内的直埋敷设情况进行调研，提出供热直埋敷设管道受力设计计算中存在的一些亟待解决的问题，并分析其解决方法和思路。

国内直埋管道的受力分析主要采用从国外引进的应力分析法^[1]。应力分析法认为根据不同的应力作用形式，管道会发生不同形式的破坏，应采用不同的应力验算方法。1976年北京市煤气热力设计院等五家单位合作在热力管道无补偿直埋敷设试验研究中采用应力分类法进行无补偿的理论研究和现场实测，证实了采用应力分类法理论计算结果的正确性。

哈尔滨工业大学供热实验室针对直埋敷设管道的特殊性对其进行了模拟实验，即对管道在土壤中的受力状况进行实验、测量。得出在管道运行初期和正式运行期间由于土壤摩擦系数的不同，造成过渡段长度的变化^[2]。给直埋管道的设计和研究提供了实验验证。

太原理工大学和太原热力公司用三年的时间完成了大直径管道摩擦系数的试验研究。得出结论《城镇直埋供热管道工程技术规程》(CJJ/T81-98) ^[3]（以下简称《规程》）给出的回填土摩擦系数的取值范围可以适用于大直径管道的直埋敷设管道受力设计计算中^[4]。

北京煤气与热力设计院在实际工程中已经成功地在无补偿冷安装直埋敷设中使用了工作压力2.5MPa；DN1000mm的供热管道^[5]。

三通、弯头等薄弱部件处的保护措施以及预热方法等技术也在不断的更新。

由于直埋敷设的受力设计方法较为繁杂，国内外专业人士也致力于开发可以进行地下直埋管道受力计算的应用软件，以简化直埋敷设管道的受力计算。现在国内一些大的设计院中所使用的直埋受力计算软件有哈尔滨工业大学王钢博士用Dos语言编制的直埋应力计算软件和从美国引进的CAESAR2软件。国内的一些高校也相继推出直埋敷设受力设计计算的相关软件。

目前国内外对于直埋管道受力的设计原则虽然不完全一致，但是大部分都遵循尽量避免整个管道中的有补偿安装，而只在局部薄弱部件处进行补偿保护的原则。

国内主要按照《规程》中的方法来进行直埋管道的受力计算。《规程》的实施给直埋敷设管道的受力设计提供了统一标准，使得《规程》执行以来国内的直埋敷设管道受力设计规范化。《规程》对我国直埋敷设技术的发展意义重大，一直以来各个设计、施工以及科研单位在进行有关直埋敷设的工作中都大大的受益于《规程》。鉴于《规程》颁布时直埋敷设的发展状况，《规程》中对直埋敷设的一些设计参数进行了限制，明确指出《规程》适用于供热介质温度小于或等于150℃，公称直径小于或等于500mm的钢质内管、保温层、保护外壳结合为一体的预制保温直埋热水管道。一些设备厂家的设计手册中也给出直埋敷设管道的受力设计方法^[6]。

近几年的直埋敷设热水管道很多都需要使用大直径、高压力的管道，原来的适用于小直径管道的设计方法和公式亟待改进。同时，直埋技术不断发展，大直径管道的无补偿安装、薄弱部件加强等技术也越来越广泛的应用于实际工程中。经过理论研究和实际调研，本文提出以下几点直埋敷设管道受力设计中存在的问题以及解决相应问题的方法和思路：

《规程》中给出的直埋管道受力设计方法适用于供热介质温度不大于150℃，公称直径不大于DN500mm的一体型预制保温管。而对于现在的供热管道规格已经达到公称直径DN1000mm；管道的工作压力也很高，一些工程已经使用了工作压力2.5MPa的管道的无补偿冷安装直埋敷设^[5]。

《规程》以及一些设备厂家设计手册中给出的公式、图表很多是对较低工作压力、较小直径管道的简化结果，是否适用于大直径、较高工作压力的直埋敷设管道的受力设计还有待研究。另外，《规程》中对于固定墩推力的计算是基于粉质粘土或砂质粉土的情况，并按照一定的摩擦力下降规律给出的。没有给出土壤特性及摩擦力情况不同时的计算方法。

解决该问题的思路是以现有的管道受力设计方法为基础，对现有的公式、原理进行深入分析，重点考虑大直径管道的设计要点。 

例如：在进行地下直埋管道受力设计中的单位管长摩擦力的计算时，《规程》中给出的计算公式为：

F＝πρgμ(H+D_k/2)D_k （1）

式中 F—轴线方向每米管道的摩擦力，N；

μ—土壤与管道之间的摩擦系数；

H—管顶覆土深度；当H≥1.5m时，H取1.5m；

D_k—预制保温管外壳的外径，m。

大直径时管道的自重对摩擦力的影响较大，建议在计算单位管长摩擦力时考虑自重的影响^[7]：

F＝πρgμ(H+D_k/2)D_k+μG  （2）

式中 G—单位管重（包括流动介质），N。

如果进行直埋管道的受力设计时不区分管道直径的大小，统一用《规程》中的方法进行管道的相关受力计算，其计算结果可能不合理，容易造成工程上的隐患。

直埋敷设安装方式按照管段是否有补偿可以分为：无补偿安装和有补偿安装；按照是否进行预应力可以分为：冷安装和预应力安装。虽然许多文献中都对直埋敷设的安装方式进行了较为详尽的分析，但是在实际的工程中对于直埋敷设安装方式的选择还是有些混乱。安装方式使用的不合理容易引起能源、管材的浪费或者管路系统潜在的不安全等。

首先应该明确：不同的安装方式对应着其所能解决的不同的管道失效方式，不同的失效方式所关注的管道的特征参数不同。换句话说，为了解决一定的管道失效方式，就应该对引起该失效方式的管道的特征参数进行控制与调整，而管道的特征参数的取值不同，就形成了不同的直埋敷设的安装方式。这也是划分不同的直埋敷设安装方式的原则^[8]。

例如：管道的循环塑性变形破坏是由于管道在运行最高温度T₁和最低温度T₂之间进行循环工作时，管道发生循环塑性变形而产生的一种管道失效方式。这种失效方式对应的温度特征参数是管道工作循环最高温度和循环最低温度之差T₁－T₂。为了避免这种失效方式的产生，就应该对T₁－T₂进行限制，使其小于产生循环塑性变形的允许温差。当T₁－T₂不能满足要求时，就应该采用其他方法来减小管道的应力和应变使其满足要求，即可以对管道进行补偿，使管道处于有补偿状态。从以上的分析可见，管道的有补偿安装方法可以解决管道的循环塑性变形问题，其对应的特征参数是T₁－T₂。而另一种直埋敷设安装方式——预应力安装方式是在管道运行前对管道的受力状态进行的一种预处理，即提高管道的整体焊接温度T₀，并没有改变管道运行的循环最高温度T₁和循环最低温度T₂，可见预应力安装方式不能解决管道的循环塑性变形失效。

明确直埋敷设各种安装方式的适用条件，就可以针对不同的管道情况采取相应的安装方式，控制其对应的特征参数，保证管道安全、合理运行。

供热管道所涉及的失效方式主要包括以下7种^[7]：

无限制塑性变形：指的是管道的无限制塑性流动变形。

循环塑性变形：管道温度在工作循环最高温度和最低温度之间变化时，管道的变形就相应的在最大和最小、或者压缩塑性变形和拉伸塑性变形间循环变化，这样就容易产生循环塑性破坏。运行压力越高、循环温差越大，越容易产生循环塑性变形。

低循环疲劳破坏：管道结构不连续处会产生相对于管道其他部分较大的应力，温度的循环变化使得应力循环变化，引起管道的疲劳破坏。由于温度的变化频率较低，所以由温度变化引起的疲劳破坏称作低循环疲劳破坏。

高循环疲劳破坏：由于车辆等的通过，其作用力会使管道产生应力集中。因为车辆荷载出现的频率较高，所以称之为高循环疲劳破坏。对于大直径的直埋敷设，这种变形较易发生。

管道的失稳分为整体失稳和局部失稳。管道的整体失稳分为垂直失稳水平失稳。

由于管道的升温轴向力的压杆效应会使管道变弯，管段中产生较大的弯矩，从而引起垂直失稳（竖向失稳）。

管道投入运行后，在管线附近平行开沟时，土壤侧向的支撑作用减弱，极易产生管道的整体水平失稳。

目前在设计时只验算垂直失稳，而不验算水平失稳，即未考虑管道运行后的失效情况。

局部失稳：管路附件和承受高轴向压力的管道也存在着失稳的可能性，称作局部失稳。

阀门的破坏：阀门由于受轴向应力而变形破坏或者失效，都会导致管道的失效。

从以上几种失效方式产生的机理来看，管道中发生不同失效方式的位置和情况都有所不同。直管以及不同的管路附件（直管、三通、弯头、阀门等）对应着各自不同的失效方式。而现行的直埋管道受力设计方法中只考虑了其中部分的失效方式，是对小直径管道等设计条件下管道应力分析的一种简化。例如：《规程》中对于直管的受力设计只考虑了无限制塑性变形破坏、整体垂直失稳和循环塑性变形，未考虑局部失稳破坏。对于大直径、较高工作压力的管道，必须考虑管道的局部失稳破坏^[8]。

随着直埋管道规模的不断扩大，在实际的受力设计中，应考虑大直径管道受力特点，根据具体的情况，选择相应的管道失效方式进行分析和验算，才能保证管道受力设计的合理、工程的运行安全。

现有直埋敷设管道受力设计方法的使用范围有局限性、管道失效方式计算不全；许多工程中直埋敷设的安装方式使用混乱，难以选择合理的受力设计方法进行实际工程的设计。本文对以上问题进行了探讨，提出解决问题的方法和思路。在相关文献的研究和调研的基础上可以提出一套适合直埋敷设发展现状的受力设计计算方法。完善现有直埋供热管道受力计算方法和开发新的直埋管道受力计算软件来明确和简化直埋敷设的受力设计有着重要经济和实用价值。

[1] Boiler and Pressure Vessel Criterion.America，1971

[2] 王钢. 直埋管道应力分析方法及摩擦系数试验. 哈尔滨建筑大学硕士学位论文，1992

[3] 唐山市热力总公司编. 城镇直埋供热管道工程技术规程(CJJ/T81-98). 北京：中国建筑工业出版社，1998

[4] 王飞, 张建伟. 大口径预制直埋供热管道摩擦系数变化规律的研究. 建筑热能通风空调，2007

[5] 段洁仪. 直埋无补偿冷安装敷设方式在工程中的应用. 《全国城市供热直埋保温管道应用技术研讨会》论文集，2006

[6] 王钢，周卫阳. 豪特耐集中供热管路系统设计手册. 北京豪特耐集中供热设备有限公司，2006

[7] 王钢，贺平译. 区域供热手册. 哈尔滨工程大学出版社，1998

[8] 李娜. 供热直埋敷设管道受力计算与分析. 哈尔滨工业大学硕士学位论文，2007