直埋供熱管網(wǎng)工程設(shè)計兩種計算方法的對比分析

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直埋供熱管網(wǎng)工程設(shè)計兩種計算方法的對比分析

一、問題的提出

近年來，隨著我國城市化進程的加快，城市規(guī)模不斷擴大，作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的集中供熱工程，也逐漸從鍋爐房集中供熱向熱電廠區(qū)域供熱型式轉(zhuǎn)變，由此帶來一次網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，主干線管徑也從最初的DN450~500增長到了DN800~DN1000，甚至達到DN1200。

與此同時，供熱管網(wǎng)的敷設(shè)方式也架空、地溝方式逐漸轉(zhuǎn)向預(yù)制直埋敷設(shè)。直埋供熱管道分為無補償直埋敷設(shè)和有補償直埋敷設(shè)。無補償直埋敷設(shè)又可分為冷安裝無補償、預(yù)應(yīng)力無補償。預(yù)應(yīng)力無補償有分為機械拉伸、敞槽預(yù)熱、一次補償?shù)榷喾N形式。預(yù)熱方式又分為熱水、熱風(fēng)和電熱等。

在直埋供熱管網(wǎng)設(shè)計過程中，選擇有補償還是無補償是經(jīng)常被討論的事情。如何確定和取舍對整個工程的經(jīng)濟性影響較大。

目前，國內(nèi)設(shè)計單位有兩種意見，一種基于彈性理論分析，不認可管網(wǎng)可以發(fā)生任何塑性變形，并基于此進行直管段的補償計算；另一種是歐洲上世紀(jì)70年代出現(xiàn)的基于彈塑性理論分析，允許管網(wǎng)發(fā)生有限塑性變形，并按應(yīng)力分類進行安定性條件判定，并基于此進行補償計算。

上述兩種方法簡單來說就是，基于彈性理論分析方法，對于供水溫度大于80℃的長直管道段，均不允許出現(xiàn)錨固段，也即要求管網(wǎng)設(shè)計必須考慮補償裝置，補償器間距隨管徑變化，約為100~200米一處；基于安定條件分析方法，對于供水溫度大于140℃的長直管道，才不允許出現(xiàn)錨固段，這對于一般的供熱管網(wǎng)來說，已經(jīng)足夠。也就是說，按照彈塑性分析方法，進行供熱系統(tǒng)設(shè)計，可以按無補償設(shè)計（一般一次網(wǎng)供水溫度130以下，二次網(wǎng)則更低）。

本文以下部分在闡述上述兩種基本方法的基礎(chǔ)上，從工程設(shè)計角度對其不同點進行對比分析，并提出在設(shè)計過程中應(yīng)注意的問題及解決辦法。

二、直埋管的應(yīng)力驗算

2.1 穩(wěn)定性分析

（1）整體穩(wěn)定性分析：直埋管最小覆土深度應(yīng)滿足垂直穩(wěn)定性要求，一般而言，大于DN700的直管道不必從垂直穩(wěn)定性考慮限制其埋深。

（2）局部穩(wěn)定性分析：公稱直徑不大于DN800、工作溫差小于85℃時，不會出現(xiàn)局部失穩(wěn)；當(dāng)供水溫度大于130℃、公稱直徑大于DN800時，采用標(biāo)準(zhǔn)壁厚的鋼管，在錨固段可能會出現(xiàn)局部皺結(jié)。

2.2 強度驗算

無補償管段強度驗算有兩種強度驗算理論：彈性分析法（第四強度理論）和安定分析法（彈塑性分析，第三強度理論）。

直埋管的安定條件判斷，根據(jù)應(yīng)變大小可分為不發(fā)生任何塑性變形（△ε≤2εs，|ε|＜εs，安定狀態(tài)）、發(fā)生有限塑性變形（△ε≤2εs，|ε|＞εs安定狀態(tài)），發(fā)生循環(huán)塑性變形（△ε＞2εs，不安定狀態(tài)）

（1）極限分析：為防止管道出現(xiàn)塑性流動，必須保證一次應(yīng)力小于屈服極限σs?？紤]安全因素后，設(shè)計應(yīng)保證一次應(yīng)力不大于許用應(yīng)力[σ]。

（2）安定分析：為使管道處于安定，必須保證一次應(yīng)力（工作壓力產(chǎn)生的內(nèi)力，包括軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力）與二次應(yīng)力（熱應(yīng)力，升溫產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力，降溫產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力）共同作用下當(dāng)量應(yīng)力變化范圍小于2倍屈服極限σs?？紤]安全因素后，用抗拉強度σb代替2σs。管道安定條件：當(dāng)量應(yīng)力變化范圍不大于3[σ]。

（3）疲勞分析：一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、峰值應(yīng)力（三通、變徑、彎管等局部應(yīng)力集中）綜合作用下應(yīng)力變化范圍不大于6[σ]，亦即當(dāng)量應(yīng)力幅度不大于3[σ]。

三、直埋管網(wǎng)設(shè)計原則

1．關(guān)于過渡段長度計算

當(dāng)直管段兩端補償裝置間距大于過渡段極限長度（最大摩擦長度）兩倍時，在兩（自然）錨固點之間會形成一無補償管段（自然錨固段）；當(dāng)補償裝置間距小于等于兩倍過渡段長度時，以駐點為界分為兩個過渡段（有補償段）。

無補償冷安裝直埋敷設(shè)的條件：

根據(jù)彈性理論分析（σeq≤1.35[σ]），只要安裝溫差不大于彈性溫差，就允許直管段不安裝補償器而進行無補償直埋敷設(shè)，管道在彈性狀態(tài)下運行。換言之，當(dāng)安裝溫差大于彈性溫差時，直管段中不允許存在錨固段，必須安裝補償器，設(shè)置補償器的最大間距即為管道存在錨固段時過渡段長度的兩倍。過渡段長度可以根據(jù)存在錨固段時駐點處軸向應(yīng)力以及單長摩擦力求出。

上述彈性溫差（58.0~67.4℃）與管道工作壓力（1.0~2.5Mpa）、公稱直徑（DN40~1000）有關(guān)。供熱管網(wǎng)安裝溫度按10℃計算，設(shè)計供水溫度一般均大于80℃，回水溫度均小于80℃，因此，無論一二次網(wǎng)，直埋管供水管均需安裝補償裝置，回水管可考慮無補償敷設(shè)。

根據(jù)彈塑性理論分析（σeq≤3[σ]），當(dāng)量應(yīng)力小于兩倍屈服極限，引入安全系數(shù)后，用三倍許用應(yīng)力代替?；诎捕ǚ治龅膹椥詼夭睿?/font>121.0~149.3℃）也提高許多，這樣，即使供水溫度高達140℃，冷安裝也可采用直線段無補償直埋敷設(shè)。但是，正因為采用了相當(dāng)高的應(yīng)力驗算值，需要對三通、彎頭等應(yīng)力集中的局部管件必要時采取加強措施。