魏宇馳

【摘 要】本文簡要介紹供熱管道直埋敷設方式，從管道安全性、經(jīng)濟性等方面分析直埋無補償冷安裝技術的優(yōu)勢。設計直埋供熱管道的強度時應該積極采用不同的技術措施，這樣才能避免因管道性質不同從而產(chǎn)生不同應力對管道的破壞，因此我們需要研究選擇不同的安裝方式要具體問題具體分析，針對不同的管段采用不同的措施，這樣才能夠使得直埋熱管道有效運行。

【關鍵詞】供熱管道直埋敷設無補償冷安裝

目前國內供熱管道直埋敷設已被廣泛地應用在供熱工程中，并實現(xiàn)了無補償?shù)闹甭穹笤O。而在無補償直埋敷設供熱管道中，以直埋無補償冷安裝敷設方式最經(jīng)濟，工期最短，是目前國內大力推廣的敷設方式。我集團在2015年至2016年建設的某大型管網(wǎng)中采用了此項技術，該工程主干線DN1200管道23.9公里（溝長），DN1000管道3公里（溝長）、DN800管道3.6公里（溝長），均采用了直埋無補償冷安裝敷設方式。

一、直埋管道中的應力分析

1管道荷載

直埋供熱管道的荷載包括兩個方面：一是工作壓力，另一個是溫度變化。在直埋供熱管道工作時，管道壓力不發(fā)生變化，與管道發(fā)生形態(tài)沒有任何關系，這時所產(chǎn)生的力我們稱之為一次應力，由于溫度變化對管道產(chǎn)生的熱應力作用，比如熱脹冷縮位移作用，這時產(chǎn)生的力我們稱之為二次應力。

一次應力：由于工作管道的壓力而在管道中產(chǎn)生的應力。二次應力：由于工作管道溫度的變化，管道因熱脹冷縮而變形，這種變形不能自由釋放，因此就在管道中產(chǎn)生的熱應力。峰值應力：在承受一次應力，同時又有二次應力作用的情況下，直埋管道的相關管件釋放應力作用下的形變，這時就會在管件上產(chǎn)生相應的應力我們稱之為峰值應力。

2土壤的影響

一般情況下在地溝敷設和架空敷設中，由于管道的自重，管道會有一個軸向的彎曲變形，但是在土壤中，土壤能夠在一定程度上起到支撐作用，這也就使得管道能夠減少相應的彎曲變形，所以對于其在管道剛度以及強度上的影響，我們一般可以忽略。管道溫度上升由于土壤而產(chǎn)生的摩擦力和壓縮反力，這就使得供熱管道因熱脹冷縮而產(chǎn)生的形變受到一定的限制，這樣就會產(chǎn)生較大的二次應力。

三、供熱管道直埋敷設方式

1有補償直埋敷設

有補償安裝是指在供熱管道上加裝補償器，利用補償器來吸收管道的熱膨脹變形，從而使管道應力下降的模式。管道和土壤之間摩擦力產(chǎn)生的應力較大，補償段長度較短，管網(wǎng)中需設置大量補償器。一般每150米至200米需加一對補償器。

2無補償預熱安裝直埋敷設

無補償預熱安裝，即在回填土前將管道加熱到預熱溫度60℃～70℃，使管道預熱膨脹后再覆土，當管道恢復到安裝溫度10℃時，管道受冷收縮，預承受一定的拉應力；當?shù)劳懂a(chǎn)運行時，隨著溫度的升高管道的拉應力逐漸減小，當達到預熱溫度時管道的應力趨于零，當管道繼續(xù)升溫產(chǎn)生壓應力，隨著溫度的升高壓應力逐漸增大，當溫度升至工作溫度時管道的熱應力（壓應力）達到最大。由于管道預熱安裝在10℃到預熱溫度受拉，而在預熱溫度到120℃（工作溫度）受壓，在整個運行期內管道的應力在60℃～70℃時處于應力平衡狀態(tài)。此方法對施工質量的要求較高，預熱費用也比較大。雖不需加補償器，但需將管道加熱到60℃～70℃后方可回填，此種方式一般要大面積敞溝預熱。

3無補償冷安裝直埋敷設

無補償冷安裝就是指供熱管道的整體焊接溫度等于溝槽回填時的溫度，即管道焊接和溝槽回填等安裝過程都是在正常的環(huán)境溫度下進行的。由于不需補償也無預應力，這時的管道處零應力狀態(tài)，在發(fā)生溫度變化時，管道產(chǎn)生的相應的應力和活動端處的位移量都較大。按照設計原理通常把無補償敷設管道應力驗算分為兩類：一是彈性分析法，二是安定性分析法。一般來說用彈性分析法要按第四強度理論計算，即管道的工作溫差比管道的屈服溫差小，在這種情況下管道可以進入錨固段，換一句話說，管道運行最高溫度和安裝溫度，這兩者的差，比按強度條件計算的最大溫差小，在這種情況下長直管段中一般就不用設補償器。

四、直埋無補償冷安裝技術在設計及施工中的關鍵點及相應措施

1管道敷設

由于市區(qū)地下障礙物較多，穿越市區(qū)敷設的管道容易出現(xiàn)折角，在管道布置中可將大折角分解成幾個小角度折角進行敷設。對于相距較近的折角，將其分解為小折角會比較困難，可采用大彎曲半徑的彎管來代替大折角，加大彎曲半徑可將彎管視為直管道，將應力分散，從而避免折角處由于預應力集中而產(chǎn)生低循環(huán)疲勞破壞或局部失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象。在我集團采用直埋無補償冷安裝敷設的DN1200管網(wǎng)中，小于等于3°的折角采用5倍公稱直徑的彎曲半徑，小于等于5°的折角采用10倍公稱直徑的彎曲半徑，小于等于7°的折角采用20倍公稱直徑的彎曲半徑，小于等于10°的折角采用40倍公稱直徑的彎曲半徑，在實際運行中效果顯著，未出現(xiàn)任何運行事故。施工中，平面折角應小于1°，另外豎向坡度變化應該小于2%，這種情況下，管道可視為直管段。

用，從而降低成本，減少彎頭帶來的隱患，保證管網(wǎng)安全穩(wěn)定的運行。

2彎頭壁厚及彎曲半徑

彎頭作為直埋供熱管道的重要構件，既是過渡段熱膨脹的自然補償器，又是管道系統(tǒng)受保護的元件。當彎頭側壁較長、曲率半徑較小、循環(huán)溫差較大時，會產(chǎn)生峰值應力，發(fā)生低頻次的循環(huán)塑形變形，在循環(huán)一定次數(shù)后發(fā)生疲勞破壞。為了增加彎頭強度，在設計中需使用大彎曲半徑的彎頭，所有大口徑直埋管道彎頭的彎曲半徑應根據(jù)實際情況選取，一般為3倍～5倍公稱直徑，而且彎頭的壁厚比相同管徑的鋼管壁厚2mm，這樣可以增加彎頭的剛度，克服彎頭疲勞破壞。在我集團的大型管網(wǎng)中，根據(jù)計算DN1200的彎頭均采用4倍公稱直徑的的彎曲半徑，現(xiàn)場實際運行效果良好。

3采用管材整體式預制保溫結構

供熱管道可采用高密度聚乙烯預制保溫管及耐高溫的聚氨酯保溫材料，保證工作鋼管、聚氨酯泡沫塑料保溫層和高密度聚乙烯外護管緊密地連接成一個“三位一體”的結構。當管道溫度變化時，鋼管的熱脹冷縮變形可以通過保溫層傳到外護管，使外護管與周圍回填土之間發(fā)生滑動，同時外護管上的土壤摩擦阻力又通過保溫層限制鋼管的熱脹冷縮變形。保溫接頭的處理，一般情況下在接口發(fā)泡時環(huán)境溫度不低于10℃，在接口鋼管表面兩側保溫端面不能存在水分油污等雜質，預制直埋保溫管在現(xiàn)場切割后必須及時并徹底清潔鋼管表面，要確保沒有泡沫殘渣的存在，在保溫接頭的外套管和外護管連接時需要采用電熱熔焊及熱塑帶雙重做法。

4焊接及檢驗要求

現(xiàn)場焊接及檢驗也應有較高的要求，現(xiàn)場焊接應保證焊透，管徑大于或等于DN400的鋼管及管件焊接應采用氬弧焊打底，并采用雙面焊。由于大口徑高參數(shù)無補償冷安裝集中供熱技術的技術要求高，為確保工程質量，在管道焊接中，應遵守國家的相關規(guī)定，在進行鋼管及管件的焊接時，一般需采用氬氣保護焊打底雙面焊，同時要確保焊縫表面沒有裂紋，氣孔，夾渣等等缺陷的存在，同時不能有漏焊欠焊的情況。在我集團上述工程中，要求施工單位必須采用超聲波100%探傷，射線20%復檢，復檢位置均為關鍵位置，如管件處、車行道下等。

5試壓、試運行中的注意事項

在把管道正式投入使用前，對管道進行試壓等是一個十分重要的環(huán)節(jié)。管道試壓：其試壓方式一般為水壓試驗。所謂水壓試驗就是在充水的同時打開放氣閥門使其排凈其中的空氣，在進行實驗時相應的環(huán)境溫度不應低于10℃。試壓過程一般包括兩個方面：一是嚴密性試驗，二是強度試驗。我集團的上述工程中，因管網(wǎng)的設計壓力為2.0MPa，在打壓實驗中，采用高壓消防泵將管網(wǎng)壓力打至3.0MPa，并持續(xù)30min，檢查管網(wǎng)無漏點，完成打壓實驗，證明管網(wǎng)是安全可靠的。

（作者單位：遼河油田建設有限公司）