供熱管道直埋敷設(shè)方式探討

孟　軍

(太原市熱力公司，山西 太原　030024)

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供熱管道直埋敷設(shè)方式探討

孟軍

(太原市熱力公司，山西 太原030024)

從循環(huán)塑性變形、循環(huán)疲勞損壞、失穩(wěn)等方面，介紹了供熱管道遭受損壞的方式與作用機(jī)理，對(duì)比分析了補(bǔ)償冷安裝、敞溝預(yù)熱安裝以及一次性補(bǔ)償器覆土后預(yù)熱敷設(shè)三種供熱管道直埋敷設(shè)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，以供參考。

供熱管道，直埋敷設(shè)方式，塑性變形，疲勞損壞

0　引言

和采取區(qū)域性鍋爐供熱的方式相比而言，采取集中供熱采暖的方式更加的環(huán)保和節(jié)能，同時(shí)又具有較高的安全性能，能有效地節(jié)約用地面積，減少成本的投入?，F(xiàn)階段，集中供熱采暖發(fā)展成了我國城鎮(zhèn)非常重要的基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)也是我國城鎮(zhèn)公共事業(yè)中非常關(guān)鍵的構(gòu)成部分。在我國城市化進(jìn)程逐步加快的同時(shí)，城市集中供熱采暖也逐步地發(fā)展，其涉及的范圍持續(xù)增加。同時(shí)，在集中供熱采暖建設(shè)過程中，也需要更加先進(jìn)的直埋敷設(shè)工藝。怎樣顯著地降低供熱系統(tǒng)的成本，并保障系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)具有較高的可靠性，是目前供熱行業(yè)所面臨的重要問題。在供熱系統(tǒng)的建設(shè)過程中，管道的直埋敷設(shè)尤為重要，其是把事先預(yù)制完成的、具有保溫性能的供熱管道直接埋到地下，通過供熱管道所具有的強(qiáng)度和相應(yīng)的配套裝置一起承擔(dān)系統(tǒng)運(yùn)行中所形成的熱應(yīng)力。在長期的實(shí)踐過程中，逐步形成了多種用于供熱管道直埋敷設(shè)的技術(shù)與工藝，其目的是為了保障系統(tǒng)在運(yùn)行過程中具有一定的安全性，并最大限度地降低資金的投入，同時(shí)盡量使系統(tǒng)在維護(hù)中更為便捷。因此，有必要對(duì)不同的供熱管道直埋敷設(shè)方式進(jìn)行分析與比對(duì)，以掌握不同工藝的特性，便于更好地為供熱系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)行服務(wù)。

1　供熱管道的損壞形式

通常供熱管道所承受的應(yīng)力值在0.6 MPa～2.5 MPa之間。而在對(duì)供熱管道的應(yīng)力分析后發(fā)現(xiàn)，管道的內(nèi)部應(yīng)力要較其自身的屈服力小很多。但是，在供熱管道的使用過程中，會(huì)出現(xiàn)較大的溫度變化，從而導(dǎo)致管道形成相對(duì)大的軸向應(yīng)力以及壓應(yīng)力。因此，對(duì)于供熱管道種類的選用要尤為重視。

1)循環(huán)塑性變形。供熱管道發(fā)生循環(huán)塑性變形最根本的原因是由于管道所處環(huán)境的溫度波動(dòng)。如果產(chǎn)生相對(duì)大的溫度波動(dòng)，并且所形成的熱形變無法徹底的被釋放。那么，當(dāng)管道所處的環(huán)境溫度升高時(shí)，供熱管道的管壁就會(huì)由于受到軸向的壓力而形成一定的壓縮變形。當(dāng)管道所處的環(huán)境溫度降低時(shí)，供熱管道的管壁就會(huì)由于受到軸向的壓力而形成一定的拉伸變形。如果所處的環(huán)境溫度變化超出特定溫度值時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致供熱管道被破壞。

2)低循環(huán)疲勞損壞。在供熱管道中，位于管道線路中的接頭位置、三通位置或者彎折位置會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，而如果管道所處環(huán)境發(fā)生一定的溫度波動(dòng)，那么管道線路中不連續(xù)位置將出現(xiàn)峰值應(yīng)力，從而導(dǎo)致該處的管道遭受疲勞損壞。

3)高循環(huán)疲勞損壞。當(dāng)供熱管道上方有車輛通過時(shí)，其重量形成的應(yīng)力作用將被傳遞至地下直埋敷設(shè)的管道之上，從而導(dǎo)致供熱管道局部位置形成橢圓狀形變，進(jìn)而出現(xiàn)應(yīng)力集中問題。在長期循環(huán)應(yīng)力作用下，最終產(chǎn)生疲勞損壞。

4)整體失穩(wěn)。管道使用過程中，其軸向應(yīng)力值是最大的，而且受到壓桿效應(yīng)的影響，有可能發(fā)生管道整體失穩(wěn)的問題。尤其當(dāng)供熱管道埋設(shè)采取無補(bǔ)償冷敷設(shè)工藝時(shí)，管道所處環(huán)境的溫度變化所形成的應(yīng)力將全部的形成軸向應(yīng)力，非常容易使得管道發(fā)生整體失穩(wěn)問題。針對(duì)這種問題，我國頒布的CJJ T81—2013城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程里明確規(guī)定，管道的敷設(shè)必須達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，才能確保其不發(fā)生整體失穩(wěn)的問題。

5)局部失穩(wěn)。管道的局部失穩(wěn)會(huì)受到其軸向應(yīng)力所產(chǎn)生的形變影響，也就是管道熱脹形變程度及形變釋放程度的影響。還會(huì)受到管道自身結(jié)構(gòu)性能的影響。因?yàn)楣艿朗潜”跉んw結(jié)構(gòu)，當(dāng)其受到一定的軸向應(yīng)力時(shí)，就可能導(dǎo)致管壁出現(xiàn)局部失穩(wěn)現(xiàn)象。根據(jù)局部失穩(wěn)公式可知，如果供熱管壁自身的厚度不斷增加，則其發(fā)生局部失穩(wěn)的概率就越小。而當(dāng)供熱管道的半徑逐漸增加，其發(fā)生局部失穩(wěn)的概率就越大。所以，在供熱管道敷設(shè)時(shí)，要依據(jù)不同的管道壁厚來采用不同的覆土深度。

通過上述的幾種損壞情況看，管道使用中的安全性和管道受到的軸向壓力存在著非常緊密的關(guān)聯(lián)。管道所受到的軸向應(yīng)力根本上是由于溫度變化所產(chǎn)生的應(yīng)力，如果供熱管道的直徑超過DN250時(shí)，其遭受局部屈服的概率將大幅提高。而要避免發(fā)生局部屈服問題，就應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格地控制管道所受到的溫度應(yīng)力，并且按照不同的應(yīng)力管控方案，來選擇適宜的管道直埋敷設(shè)方式。

2　供熱管道直埋敷設(shè)方式的分析和選用

2.1補(bǔ)償冷安裝方式

此種管道直埋敷設(shè)方式是最為簡便也是成本投入最小的工藝方法。其把供熱管道直接敷設(shè)，在進(jìn)行覆土前未預(yù)設(shè)特定的應(yīng)力，同時(shí)也未安裝補(bǔ)償裝置。受到土壤摩擦的影響，供熱管道會(huì)有錨固段與滑動(dòng)段之分。如果供熱管道位于錨固段，其所受到的熱脹應(yīng)力將整體的轉(zhuǎn)變成溫度應(yīng)力，這樣會(huì)導(dǎo)致供熱管道使用過程中要承擔(dān)非常大的軸向應(yīng)力。因此，此段供熱管道所受到的最大應(yīng)力值和最大的溫度變化是成正比例關(guān)系的。如果管道所受到的熱脹應(yīng)力無法整體的轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟葢?yīng)力，而供熱管道會(huì)由于受熱而拉伸。采用此種敷設(shè)方法，供熱管道所受到的軸向熱應(yīng)力一般會(huì)滿足管道許用應(yīng)力值要求。不過，當(dāng)溫度波動(dòng)稍大，就會(huì)超出其局部屈服應(yīng)力值。因此，當(dāng)溫度波動(dòng)較大時(shí)，無法達(dá)到局部屈服的標(biāo)準(zhǔn)要求。所以，此種直埋敷設(shè)方式會(huì)在很大程度上對(duì)溫度有所限制，也只能是用在特定的溫度環(huán)境中才可以使供熱管道保持安全可靠的運(yùn)行。

2.2敞溝預(yù)熱安裝方式

此種管道直埋敷設(shè)方式是對(duì)管道完成事先的預(yù)熱處理，再進(jìn)行回填作業(yè)，并保證管道所預(yù)熱的溫度值達(dá)到一定的要求。采用這種直埋敷設(shè)方式，管道在使用時(shí)如果環(huán)境溫度和所預(yù)熱的溫度相同時(shí)，其所受到的熱應(yīng)力值將變成零。如果管道使用過程中，環(huán)境溫度值超出預(yù)熱溫度時(shí)，此時(shí)供熱管道會(huì)遭受壓力作用。而如果管道使用過程中，環(huán)境溫度低于預(yù)熱溫度時(shí)，此時(shí)供熱管道會(huì)遭受拉力作用，這就使管道形成預(yù)應(yīng)力作用。采用此種直埋敷設(shè)方法，能夠有效的節(jié)約管道敷設(shè)中的補(bǔ)償器及固定頓的用量，也會(huì)使整個(gè)工程的成本投入降低。和冷安裝方式對(duì)比而言，預(yù)熱直埋敷設(shè)方式管道所能承受的應(yīng)力大很多，同時(shí)也可以有效的降低管壁發(fā)生局部屈服的概率。對(duì)于一些直徑相對(duì)大的管道敷設(shè)施工非常有利。

2.3一次性補(bǔ)償器覆土后預(yù)熱敷設(shè)方式

此種直埋敷設(shè)方式是把管道分段進(jìn)行一次性補(bǔ)償裝置安裝。當(dāng)敷設(shè)完成后能立即進(jìn)行回填土作業(yè)。當(dāng)?shù)谝淮渭訜釙r(shí)，如果補(bǔ)償段處的管道熱形變值達(dá)到預(yù)熱溫度所發(fā)生的自由膨脹形變值時(shí)，能夠?qū)ζ浜附?。一次性補(bǔ)償器在經(jīng)由很多次數(shù)的溫度波動(dòng)后，而讓其應(yīng)力得以均勻化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力作用。和冷安裝方式對(duì)比而言，此種直埋敷設(shè)方法同樣可以使管道所能承受的應(yīng)力大很多。所以，也可以有效的降低管壁發(fā)生局部屈服的概率。而和敞溝預(yù)熱直埋敷設(shè)方式對(duì)比而言，此種方式省去了預(yù)熱工序，降低了建設(shè)時(shí)的成本投入及施工難度。

3　結(jié)語

在對(duì)供熱管道遭受應(yīng)力影響的多種因素分析后，我們了解到了不同直埋敷設(shè)方式所具有的特征。如果可以達(dá)到冷安裝的標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)當(dāng)盡可能地采取此種安裝方式。不過，如果考慮到供熱管道使用中的安全可靠性，一些管道直徑相對(duì)大或者所處環(huán)境溫度變化較大的供熱管道施工中，應(yīng)盡量采取預(yù)熱直埋敷設(shè)或者有償直埋敷設(shè)的方式完成。

[1]柴海婧.大管徑熱力管道直埋敷設(shè)設(shè)計(jì)探討[J].建筑知識(shí)，2016(2)：32-33.

[2]張朝偉.直埋供熱管道敷設(shè)方式節(jié)能性分析[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2015(3)：46-47.

[3]郭震環(huán).某供熱直埋敷設(shè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析[J].山西建筑，2015，41(21)：111-113.

Discussion on directly buried installation method of heating pipeline

Meng Jun

(Taiyuan Heating Power Company, Taiyuan 030024, China)

From the cyclic plastic deformation, fatigue damage, instability and other aspects, this paper introduced the damage methods and mechanisms of heating pipeline, analyzed and compared the advantages and disadvantages of compensation cold installed, open ditch preheating installation and one-time compensator overburden after filling pre hot installation three kinds of directly buried installation method of heating pipeline, for reference.

heating pipe, directly buried installation method, plastic deformation, fatigue damage

1009-6825(2016)25-0131-02

2016-06-23

孟軍(1981- )，男，助理工程師

TU833

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