关于供热管网直埋管道设计理论基础的探讨

维普资讯 http://www.cqvip.com ・４８・　关于供热管网直埋管道设计理论基础的探讨　罗家力　（黑龙江省林业设计研究院）　［摘要］　简要介绍供热直埋管道在工作压力和温度变化所引起的应力变化，对管道强度和稳定进行验算。　［关键词］供热直埋管道；工作压力；温度；应力；强度；稳定　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　Ａｂｏｕｔ　Ｂａｓｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　Ｏｆ　Ｄｉｒｅｃｔ—－Ｂｕｒｙｉｎｇ　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　Ｉｎ　Ｈｅａｔｉｎｇ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｌｕｏ脑ｌｊ　（Ｆｏｒｅｓｔ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｏｆ　Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｓｔ．ｒｅｓｓ　ｄｉｖｅｒｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｄｉｒｅｃｔ—ｂｕｒｙｉｎｇ　ｐｉｅｐｌｉｎｅ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ．Ｉｔ　ａｌｓｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｐｉｐｅ　ｉｎｔｅｎｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｔｉｎｇ　ｄｉｒｅｃｔ—ｂｕｒｙｉｎｇ　ｐｉｅｐｌｉｎｅ；ｏｐｅｒａｔｉｇｎ　ｐｒｅｓｓ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｓｔｒｅｓｓ；ｉｎｔｅｎｓｉｏｎ；ｓｔａｂｉｌｔｙ　１直埋管道中的应力　较大的二次应力。这样，在有沟敷设和架空敷设中对管道强　１．１直埋供热管道的安全性取决于管道中的应力　度影响较小的温度应力又变得十分重要。　在直埋供热管道中主要产生应力的因素为：工作压力和　１．３直埋供热管道中应力特点　温度变化。　由于土壤的支撑和摩擦阻力，在直埋供热管道中，二次　不同的应力可导致管件出现不同的失效方式。　应力会远远高于一次应力，因此，直埋供热管道的安全性主　１．１．１一次应力：工作压力在直管中产生的应力，如内压环　要取决于温度应力。　向压力。　２直埋管道的失效方式　１．１．２二次应力：热胀冷缩变形不能自由释放，在直管中产　直埋供热管道可能出现的失效方式有２种：　生的应力，如温升轴向应力。　２．１强度失效　１．１．３峰值应力：承受一次应力和二次应力的直管向结构　因管道中各类应力超出其相应的强度条件而产生的断　不连续的管件释放变形，在该管件上产生的应力。　裂破坏。　１．２土壤对直埋管道强度的影响　２．１．１塑性流动　１．２．１土壤的支撑作用，使管道自重不会产生轴向弯曲变　内压产生的一次应力，所引起的变形具有非自限性。当　形，这样，可以忽略在有沟敷设和架空敷设中对管道强度影　一次应力超过屈服极限时，管壁会产生较大的塑性变形，塑　响较大的重力作用。　性变形的进一步增加，可导致管道的爆裂或断裂。　１．２．２土壤的摩擦阻力，限制了热胀冷缩变形释放，产生了　２．１．２循环塑性变形　厂＾、　￡　＼、、　ｌＩ　ｌ　左佣防火分１　区　防—火—ｉ墙一　　啪－　耋　　■■　ｌⅧ　Ｉ柏００　（附图）　二层左侧防火区局部雨水管道平面图　规范编制的本意，而在此若再坚持“规范”４．９．３５条之规定，则　望规范编制人员更全面地对规范做出阐明，不断完善雨水内　显得技术应用过于僵化了。场区原有保养车问的雨水内排设　排系统。　计理念是与方案三相一致的，事实证明该理念是可行的。　来稿１３期：２０Ｏ６—０３—０２　笔者将工程中碰到的一些问题在此提出与大家讨论，希　责任编辑：于爱民　维普资讯 http://www.cqvip.com 温度变化产生的二次应力，取决于变形协调条件，所引　起的变形具有自限性。变形的同时总能使应力下降，反过来　又使变形不再发展。故当二次变形应力超过屈服极限时，电　只会产生有限的塑性变形。　然而，这种塑性变形会对管壁内部结构造成一定程度的　损伤，循环往复的塑性变形将使管道发生破损。在管道的使　用期间内，当压力和温度所产生的应力变化范围超过了两倍　的屈服极限时。在升温过程中将出现压缩塑性变形，在降温　过程中将出现拉伸塑性变形，最终导致管道的循环塑性破　坏。　２．１．３疲劳破坏　应力集中通常发生在弯头、折角、大小头及三通等管件　处。在温度和压力变化过程中，应力集中引起的峰值应力，　将在极小的局部范围内产生循环塑性变形。　一方面，该区域是被弹性区域包围的，故不会引起爆裂　或断裂；另一方面。塑性变形对钢材的损伤作用，使管件经历　了一定运行周期后，产生疲劳破坏。疲劳破坏也与应力变化　有关，峰值应力的变化范围越大，疲劳破坏所经历的时间就　越短。　２．２稳定失效　管道中在受压状态下丧失其稳定性而产生的破坏。　２．２．１整体失稳：从整个管线看，管道属于杆件。在轴向压　力作用下，由于压杆效应，可能会引起管线的整体失稳。　２．２．２局部失稳：从管道局部看，管道属于薄壁壳体。在轴　向压力作用下，管壁可能出现局部皱结，引起局部失稳。　除上述失效方式外，车辆等交通荷载也会造成在车行道　下直埋管道的破坏。　通常，交通荷载对直埋管道的影响仅出现在个别断面　上。在规定的最小覆土深度下可以忽略其影响。即使在埋深　较浅时，也可以通过设置保护结构，如设置过街套管或设置　混凝土保护板，来隔断或减弱交通荷载对直埋管道的影响。　因此，在设计中一般不考虑交通荷载对直埋管道的影响。　３安定性分析　３．１钢材的塑性变形与破坏　３．１．１钢材破坏的实质是变形过大。　３．１．２一次应力达到屈服极限时，管道进人屈服阶段，将产　生较大的塑性流动。　３．１．３二次应力产生的变形由温度确定，通常在屈服点附　近。　３．１．４只有一次应力产生的塑性变形引起破坏，而二次应　力产生的塑性变形不引起破坏。　３．２安定状态　３．２．１尽管有限的塑性变形不产生破坏，但循环的塑性变　形可导致钢材破坏。　３．２．２在应力循环变化时，应防止出现循环塑性变形。　３．２．３不发生任何塑性变形，为安定状态。　３．２．４发生塑性变形，不产生新的塑性变形，为安定状态。　３．２．５发生塑性变形，产生新的塑性变形，为不安定状态。　３．３安定性强度条件　３．３．１处于安定状态的应力表达式：一次应力和二次应力　的变化范围小于两倍的屈服极限。　・４９・　３．３．２意义：与弹性状态相比。安定状态允许的应力变化范　围大大增大。　４强度验算和稳定验算　４．１采用应力分类法的强度验算　４．１．１对一次应力的极限分析　为防止管道出现塑性流动，必须保证一次应力小于屈服　极限。　考虑安全系数，可用基本许用应力表示极限分析的强度　条件：　一次应力不大于基本许用应力。　４．１．２对一次应力和二次应力的安定性分析　二次应力的有限塑性变形不会引起破坏，故可不控制二　次应力大小。　然而，在管道的使用期间内，为使管道处于安定状态，必　须保证一次应力和二次应力的变化范围小于两倍的屈服极　限。　考虑安全系数，可用基本许用应力表示安定性分析的强　度条件：　一次应力和二次应力的变化范围不大于三倍基本许用　应力　４．１．３对一次应力、二次应力和峰值应力的疲劳分析　由于峰值应力仅出现在有限的局部区域，与二次应力相　比，峰值应力引起的塑性变形对钢管内部结构造成的损伤要　小的多，故允许一定次数的循环塑性变形出现，允许的循环　次数与应力变化范围有关。为保证供热管网处于安全状态，　必须根据热网的使用年限和运行参数变化规律，控制一次应　力、二次应力和峰值应力的变化范围。　考虑一定的安全裕量，可用基本许用应力表示疲劳分析　的强度条件：　一次应力、二次应力和峰值应力的变化范围不大于六倍　基本许用应力　４．２稳定验算　４．２．１整体稳定性分析　对于整体失稳，应按杆件受压失稳模型进行稳定性分　析：　４．２．１．１管道整体失稳的可能性与其承受的轴向压力成正　比，而轴向压力与温度应力有关。　４．２．１．２阻止管道整体失稳的因素来自土壤约束作用，覆　土越深，失稳的可能性就越小。　４．２．２局部稳定性分析　对于管壁的局部失稳，应按受压薄壁壳体模型进行稳定　性分析：　４．２．２．１局部失稳的可能性与其承受的轴向压力成正比，　而轴向应力主要取决于温度压力。　４．２．２．２局部失稳的可能性还与管道的截面特性有关，随　着管壁的增厚而减小，而随着钢管平均半径加大而增加。　综上所述，对于直埋供热管道的设计，主要是验算直埋　供热管道的强度和稳定。　来稿日期：２Ｏ０６一Ｏ１—２６　责任编辑：于爱民