直埋供熱管道技術的應用
發布者：楊雨露 發布時間：2011-04-18 17:23:55
近年來隨著供熱管網的規模越來越大，大口徑的直埋供熱應用趨于普遍，在彈性有補償設計理論下，大口徑直埋供熱管道的補償段越做越小（小到50m左右），固定墩體積是越來越大，管道安裝施工難度加大，管道安裝施工工期拉長，管道投資也隨之相應增加。而直埋管道在安裝軸向補償器時，往往由于補償器兩側管道軸線很難保證在同一水平直線上（經常出現夾角），這就給管網運行帶來安全隱患。
大量的工程實踐已經完全證明了直埋無補償技術的可行性、實用性和安全性。目前供熱管道直埋無補償設計方法有兩種：一種是北歐的計算方法，應用第四強度理論，采用極限分析，管道安裝時需要預熱安裝；一種是北京煤氣熱力工程設計院的計算方法：應用第三強度理論，采用應力分類、安定性分析，管道安裝冷安裝即可。冷安裝與預熱安裝相比較更為方便、快捷，易于應用和推廣。
直埋管道的安全性取決于管道中的應力。直埋管道中根據應力產生的來源及出現不同的失效方式可將應力分為：
1、一次應力：介質在管道中工作產生的應力，如內壓環向應力。
2、二次應力：管道熱脹冷縮變形產生的應力，如溫變軸向應力。
3、峰值應力：一定時期內，承受一次應力和二次應力的直管道向管件釋放變形，在該管件上產生的應力集中。
在直埋管道中，二次應力（軸向溫變應力）的水平遠遠高于內壓產生的一次應力（內壓應力），因此，直埋管道的安全性主要取決于管道的軸向溫變應力。
直埋供熱管道的破壞方式從理論上講，直埋供熱管道上存在著多種破壞方式，但地實際工程實例中，對直埋供熱管道產生主要破壞作用方式有以下方式：
塑性變形是一次應力與二次應力共同作用下產生的，而對一個供熱管網，一次應力的最大值是相對固定的，因此，直埋供熱管道產生塑性變形主要取決于二次應力（溫變應力）。所以，當二次應力超過管道屈服極限σs時，管道產生有限的塑性變形；當二次應力超過了兩倍管道屈服極限，即2σs時，管道在溫變壓應力下產生壓縮變形，管道在溫變拉應力下產生拉伸塑性變形，這樣就產生了循環塑性變形。
彎頭、變徑、折角、三通等管件承受的應力是一次應力和二次應力集中所產的的峰值應力。管件在熱網啟運和停運時承受極值峰值應力，而在熱網正常運行時，管件只承受低頻峰值應力。根據工程實例數據，彎頭、變徑、折角、三通等管件的峰值應力，不會產生疲勞破壞。彎頭、變徑、折角、三通等管件的疲勞破壞是直埋供熱網中是主要的破壞方式。管道上方出現高傳遞性荷載（如載重車輛通過）時，管道局部截面產生橢圓化變形，相應地會產生應力集中，造成管道破壞。荷載破壞是供熱管網破壞的常見方式。直埋管道在運行工況下承受的最大應力是軸向壓力，當管道溫升較高，管道熱膨脹變形不能完全釋放時產生的軸向二次應力,溫變應力急劇升高，在壓桿效應下，管道易出現軸向整體失穩破壞。
變徑是管道上常用的管件，直埋無補償設計中，由于變徑兩側的直管道的應力不相同，特別是上級管徑應力大于下級管徑應力，造成變徑處的峰值應力過大，對變徑產生破壞。因此，應對變徑采取加強或設置固定墩保護。
支線抽頭相對主管道來講，起固定作用，有利于提高主管道的安全性。但抽頭處也同時是環向拉應力最大的地方，對支線的破壞性產生較大。在高溫直埋無償管道中，應采取加強及特殊抽頭處理來保證支線的安定。
直埋管道的工作環境較為特殊，影響直埋管道的的各種力在理論上都會對管道產生影響，但我們在實際的工程實例中，要根據實際工況來區分哪些力會對管道的物理結構、運行工況產生嚴重影響，導致管道無法安全運行。例如：管道內壓超過一定限度時會導致管道破裂。管道熱膨脹變形不能完全釋放時溫變應力超過管道屈服極限σs時，僅會使管道結構產生塑性變形，塑性變形產生的應變只要是在安全范圍內，不會對管道結構造成危害，管道仍能在安全工作條件下運行，管道就處在安定狀態。充分發揮管道的材料潛力，使管道不出現物理破壞，這就是應力分類強度設計的主要出發點，它是一種先進的設計方法。直埋供熱管道在工作中主要承受介質內壓、土壤（包括車荷載）橫向外壓和溫差軸向力，直埋供熱管道的力學模型可以簡化為薄壁長圓柱殼或長圓筒。根據經典的板殼穩定性理論，圓筒在橫向外壓或軸向壓力作用下均可能產生局部屈曲。為解決工程建設的迫切需要，對大直徑管道失效方式的研究不足
供熱管道所涉及的失效方式主要包括以下
無限制塑性變形：指的是管道的無限制塑性流動變形。
循環塑性變形：管道溫度在工作循環最高溫度和最低溫度之間變化時，管道的變形就相應的在最大和最小、或者壓縮塑性變形和拉伸塑性變形間循環變化，這樣就容易產生循環塑性破壞。運行壓力越高、循環溫差越大，越容易產生循環塑性變形。
低循環疲勞破壞：管道結構不連續處會產生相對于管道其他部分較大的應力，溫度的循環變化使得應力循環變化，引起管道的疲勞破壞。由于溫度的變化頻率較低，所以由溫度變化引起的疲勞破壞稱作低循環疲勞破壞。
高循環疲勞破壞：由于車輛等的通過，其作用力會使管道產生應力集中。因為車輛荷載出現的頻率較高，所以稱之為高循環疲勞破壞。對于大直徑的直埋敷設，這種變形較易發生。
管道的失穩分為整體失穩和局部失穩。管道的整體失穩分為垂直失穩水平失穩。
由于管道的升溫軸向力的壓桿效應會使管道變彎，管段中產生較大的彎矩，從而引起垂直失穩（豎向失穩）。
管道投入運行后，在管線附近平行開溝時，土壤側向的支撐作用減弱，極易產生管道的整體水平失穩。
目前在設計時只驗算垂直失穩，而不驗算水平失穩，即未考慮管道運行后的失效情況。
局部失穩：管路附件和承受高軸向壓力的管道也存在著失穩的可能性，稱作局部失穩。
閥門的破壞：閥門由于受軸向應力而變形破壞或者失效，都會導致管道的失效。
從以上幾種失效方式產生的機理來看，管道中發生不同失效方式的位置和情況都有所不同。直管以及不同的管路附件（直管、三通、彎頭、閥門等）對應著各自不同的失效方式。而現行的直埋管道受力設計方法中只考慮了其中部分的失效方式，是對小直徑管道等設計條件下管道應力分析的一種簡化。例如：《規程》中對于直管的受力設計只考慮了無限制塑性變形破壞、整體垂直失穩和循環塑性變形，未考慮局部失穩破壞。對于大直徑、較高工作壓力的管道，必須考慮管道的局部失穩破壞
隨著直埋管道規模的不斷擴大，在實際的受力設計中，應考慮大直徑管道受力特點，根據具體的情況，選擇相應的管道失效方式進行分析和驗算，才能保證管道受力設計的合理、工程的運行安全。
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