直埋供热管道技术的应用
发布者：
杨雨露 发布时间：2011-04-18 17:23:55
近年来随着供热管网的规模越来越大，大口径的直埋供热应用趋于普遍，在弹性有补偿设计理论下，大口径直埋供热管道的补偿段越做越小（小到50m左右），固定墩体积是越来越大，管道安装施工难度加大，管道安装施工工期拉长，管道投资也随之相应增加。而直埋管道在安装轴向补偿器时，往往由于补偿器两侧管道轴线很难保证在同一水平直线上（经常出现夹角），这就给管网运行带来安全隐患。
大量的工程实践已经完全证明了直埋无补偿技术的可行性、实用性和安全性。目前供热管道直埋无补偿设计方法有两种：一种是北欧的计算方法，应用第四强度理论，采用极限分析，管道安装时需要预热安装；一种是北京煤气热力工程设计院的计算方法：应用第三强度理论，采用应力分类、安定性分析，管道安装冷安装即可。冷安装与预热安装相比较更为方便、快捷，易于应用和推广。
直埋管道的安全性取决于管道中的应力。直埋管道中根据应力产生的来源及出现不同的失效方式可将应力分为：
1、一次应力：介质在管道中工作产生的应力，如内压环向应力。
2、二次应力：管道热胀冷缩变形产生的应力，如温变轴向应力。
3、峰值应力：一定时期内，承受一次应力和二次应力的直管道向管件释放变形，在该管件上产生的应力集中。
在直埋管道中，二次应力（轴向温变应力）的水平远远高于内压产生的一次应力（内压应力），因此，直埋管道的安全性主要取决于管道的轴向温变应力。
直埋供热管道的破坏方式从理论上讲，直埋供热管道上存在着多种破坏方式，但地实际工程实例中，对直埋供热管道产生主要破坏作用方式有以下方式：
塑性变形是一次应力与二次应力共同作用下产生的，而对一个供热管网，一次应力的最大值是相对固定的，因此，直埋供热管道产生塑性变形主要取决于二次应力（温变应力）。所以，当二次应力超过管道屈服极限σs时，管道产生有限的塑性变形；当二次应力超过了两倍管道屈服极限，即2σs时，管道在温变压应力下产生压缩变形，管道在温变拉应力下产生拉伸塑性变形，这样就产生了循环塑性变形。
弯头、变径、折角、三通等管件承受的应力是一次应力和二次应力集中所产的的峰值应力。管件在热网启运和停运时承受极值峰值应力，而在热网正常运行时，管件只承受低频峰值应力。根据工程实例数据，弯头、变径、折角、三通等管件的峰值应力，不会产生疲劳破坏。弯头、变径、折角、三通等管件的疲劳破坏是直埋供热网中是主要的破坏方式。管道上方出现高传递性荷载（如载重车辆通过）时，管道局部截面产生椭圆化变形，相应地会产生应力集中，造成管道破坏。荷载破坏是供热管网破坏的常见方式。直埋管道在运行工况下承受的最大应力是轴向压力，当管道温升较高，管道热膨胀变形不能完全释放时产生的轴向二次应力,温变应力急剧升高，在压杆效应下，管道易出现轴向整体失稳破坏。
变径是管道上常用的管件，直埋无补偿设计中，由于变径两侧的直管道的应力不相同，特别是上级管径应力大于下级管径应力，造成变径处的峰值应力过大，对变径产生破坏。因此，应对变径采取加强或设置固定墩保护。
支线抽头相对主管道来讲，起固定作用，有利于提高主管道的安全性。但抽头处也同时是环向拉应力最大的地方，对支线的破坏性产生较大。在高温直埋无偿管道中，应采取加强及特殊抽头处理来保证支线的安定。
直埋管道的工作环境较为特殊，影响直埋管道的的各种力在理论上都会对管道产生影响，但我们在实际的工程实例中，要根据实际工况来区分哪些力会对管道的物理结构、运行工况产生严重影响，导致管道无法安全运行。例如：管道内压超过一定限度时会导致管道破裂。管道热膨胀变形不能完全释放时温变应力超过管道屈服极限σs时，仅会使管道结构产生塑性变形，塑性变形产生的应变只要是在安全范围内，不会对管道结构造成危害，管道仍能在安全工作条件下运行，管道就处在安定状态。充分发挥管道的材料潜力，使管道不出现物理破坏，这就是应力分类强度设计的主要出发点，它是一种先进的设计方法。直埋供热管道在工作中主要承受介质内压、土壤（包括车荷载）横向外压和温差轴向力，直埋供热管道的力学模型可以简化为薄壁长圆柱壳或长圆筒。根据经典的板壳稳定性理论，圆筒在横向外压或轴向压力作用下均可能产生局部屈曲。为解决工程建设的迫切需要，对大直径管道失效方式的研究不足
供热管道所涉及的失效方式主要包括以下
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
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。
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