城鎮(zhèn)供熱直埋供熱管道設(shè)計規(guī)程

1、LOGO城鎮(zhèn)供熱直埋供熱管道設(shè)計規(guī)程城鎮(zhèn)供熱直埋供熱管道設(shè)計規(guī)程講課人:于喆目錄直埋供熱管道發(fā)展1現(xiàn)階段直埋供熱工程2供熱直埋土壤摩擦系數(shù)3供熱直管段應(yīng)力驗(yàn)算4固定墩應(yīng)力驗(yàn)算第一章直埋供熱管道發(fā)展直埋供熱管道發(fā)展一、供熱管道發(fā)展史一、供熱管道發(fā)展史 國內(nèi)外直埋技術(shù)的發(fā)展已有國內(nèi)外直埋技術(shù)的發(fā)展已有 60余年的歷史，由于直埋管道具余年的歷史，由于直埋管道具有不影響環(huán)境美化、施工簡便、工期短、維修工作量少的特點(diǎn)，有不影響環(huán)境美化、施工簡便、工期短、維修工作量少的特點(diǎn)，因此特別是近三十年來熱水供熱管道直埋敷設(shè)因此特別是近三十年來熱水供熱管道直埋敷設(shè)發(fā)展迅速，相應(yīng)形成了一整套直埋敷設(shè)的設(shè)計原理和計算方

2、法。發(fā)展迅速，相應(yīng)形成了一整套直埋敷設(shè)的設(shè)計原理和計算方法。 80年代初，我國首次在一些城市的熱網(wǎng)工程中采用從北歐國年代初，我國首次在一些城市的熱網(wǎng)工程中采用從北歐國家引進(jìn)的直埋保溫管進(jìn)行直埋敷設(shè)，經(jīng)歷了二十年的發(fā)展，無論家引進(jìn)的直埋保溫管進(jìn)行直埋敷設(shè)，經(jīng)歷了二十年的發(fā)展，無論在預(yù)制保溫管的生產(chǎn)和安裝技術(shù)上，還是在直埋供熱管網(wǎng)的設(shè)計在預(yù)制保溫管的生產(chǎn)和安裝技術(shù)上，還是在直埋供熱管網(wǎng)的設(shè)計理論和方法上，我國的供熱管道直埋技術(shù)都得到了飛速發(fā)展，直理論和方法上，我國的供熱管道直埋技術(shù)都得到了飛速發(fā)展，直埋敷設(shè)現(xiàn)已成為我國城市熱網(wǎng)的主要敷設(shè)方式。埋敷設(shè)現(xiàn)已成為我國城市熱網(wǎng)的主要敷設(shè)方式。早在早在 70

3、年代，北京煤氣熱力設(shè)計研究院就將當(dāng)時已應(yīng)用于火力發(fā)年代，北京煤氣熱力設(shè)計研究院就將當(dāng)時已應(yīng)用于火力發(fā)電廠汽水管道上的應(yīng)力分類法推廣到直埋供熱管網(wǎng)上，其最顯著電廠汽水管道上的應(yīng)力分類法推廣到直埋供熱管網(wǎng)上，其最顯著的特點(diǎn)是對溫度應(yīng)力采用安定性分析，這樣，直管段通常可采用的特點(diǎn)是對溫度應(yīng)力采用安定性分析，這樣，直管段通?？刹捎眉炔活A(yù)熱也不補(bǔ)償?shù)臒o補(bǔ)償冷安裝方式。然而，在既不預(yù)熱也不補(bǔ)償?shù)臒o補(bǔ)償冷安裝方式。然而，在 80年代中，我年代中，我國很多的直埋供熱管網(wǎng)使用的都是從北歐引進(jìn)的預(yù)制保溫管，這國很多的直埋供熱管網(wǎng)使用的都是從北歐引進(jìn)的預(yù)制保溫管，這樣，很多設(shè)計單位也相應(yīng)地采用了北歐的彈性分析法進(jìn)行

4、直埋管樣，很多設(shè)計單位也相應(yīng)地采用了北歐的彈性分析法進(jìn)行直埋管網(wǎng)設(shè)計。采用彈性分析時，為保證管道始終處于彈性狀態(tài)，直管網(wǎng)設(shè)計。采用彈性分析時，為保證管道始終處于彈性狀態(tài)，直管段通常要采用設(shè)置補(bǔ)償裝置、預(yù)熱或設(shè)置一次性補(bǔ)償器的安裝方段通常要采用設(shè)置補(bǔ)償裝置、預(yù)熱或設(shè)置一次性補(bǔ)償器的安裝方式。式。 直埋供熱管道發(fā)展 進(jìn)入進(jìn)入 90年代，多年的直埋熱網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，讓我國大多數(shù)年代，多年的直埋熱網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，讓我國大多數(shù)設(shè)計人員認(rèn)識到，在直管段對溫度應(yīng)力采用彈性分析的確過設(shè)計人員認(rèn)識到，在直管段對溫度應(yīng)力采用彈性分析的確過于保守，越來越多的設(shè)計人員開始應(yīng)力分類法進(jìn)行直埋管道于保守，越來越多的設(shè)計人員開始應(yīng)

5、力分類法進(jìn)行直埋管道的強(qiáng)度設(shè)計。此時，北歐也已意識到這一點(diǎn)，的強(qiáng)度設(shè)計。此時，北歐也已意識到這一點(diǎn)，1993年版的年版的ABB供熱手冊中介紹了一種管道應(yīng)力已超過彈性范圍的供熱手冊中介紹了一種管道應(yīng)力已超過彈性范圍的冷安裝方式，接著在冷安裝方式，接著在 1996年版的歐洲標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域供熱整體式年版的歐洲標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域供熱整體式預(yù)制保溫管的設(shè)計、計算和安裝和預(yù)制保溫管的設(shè)計、計算和安裝和 1997年為解釋該標(biāo)準(zhǔn)而年為解釋該標(biāo)準(zhǔn)而出版的集中供熱手冊中則明確地提出應(yīng)力分類法。出版的集中供熱手冊中則明確地提出應(yīng)力分類法。 1999年，在唐山市熱力公司、北京市煤氣熱力設(shè)計研究年，在唐山市熱力公司、北京市煤氣熱力設(shè)計

6、研究院、哈爾濱建筑大學(xué)和沈陽市熱力設(shè)計研究院等單位的努力院、哈爾濱建筑大學(xué)和沈陽市熱力設(shè)計研究院等單位的努力下，歷經(jīng)六年的國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)下，歷經(jīng)六年的國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程（規(guī)程（CJJ/T81-98）頒布實(shí)施，標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了采用應(yīng)力）頒布實(shí)施，標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了采用應(yīng)力分類法進(jìn)行直埋熱力管道的強(qiáng)度設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)的頒布也標(biāo)志著分類法進(jìn)行直埋熱力管道的強(qiáng)度設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)的頒布也標(biāo)志著我國直埋管道設(shè)計理論進(jìn)入了國際先進(jìn)水平。但目前國內(nèi)我國直埋管道設(shè)計理論進(jìn)入了國際先進(jìn)水平。但目前國內(nèi)規(guī)程中所給定的管道受力等計算圖表中數(shù)據(jù)均限制管徑規(guī)程中所給定的管道受力等計算圖表中數(shù)據(jù)均

7、限制管徑在在 DN500以下。然而隨著我國供熱事業(yè)的飛速發(fā)展，規(guī)程適以下。然而隨著我國供熱事業(yè)的飛速發(fā)展，規(guī)程適用范圍不能滿足實(shí)際熱網(wǎng)的需要，城市熱網(wǎng)的最大管徑都超用范圍不能滿足實(shí)際熱網(wǎng)的需要，城市熱網(wǎng)的最大管徑都超過過DN500。因此必須找到一種能適用于大口徑直埋管道的設(shè)。因此必須找到一種能適用于大口徑直埋管道的設(shè)計方法。計方法。 進(jìn)入進(jìn)入 90年代，多年的直埋熱網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，讓我國大多數(shù)年代，多年的直埋熱網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，讓我國大多數(shù)設(shè)計人員認(rèn)識到，在直管段對溫度應(yīng)力采用彈性分析的確過設(shè)計人員認(rèn)識到，在直管段對溫度應(yīng)力采用彈性分析的確過于保守，越來越多的設(shè)計人員開始應(yīng)力分類法進(jìn)行直埋管道于保守，越

8、來越多的設(shè)計人員開始應(yīng)力分類法進(jìn)行直埋管道的強(qiáng)度設(shè)計。此時，北歐也已意識到這一點(diǎn)，的強(qiáng)度設(shè)計。此時，北歐也已意識到這一點(diǎn)，1993年版的年版的ABB供熱手冊中介紹了一種管道應(yīng)力已超過彈性范圍的供熱手冊中介紹了一種管道應(yīng)力已超過彈性范圍的冷安裝方式，接著在冷安裝方式，接著在 1996年版的歐洲標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域供熱整體式年版的歐洲標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域供熱整體式預(yù)制保溫管的設(shè)計、計算和安裝和預(yù)制保溫管的設(shè)計、計算和安裝和 1997年為解釋該標(biāo)準(zhǔn)而年為解釋該標(biāo)準(zhǔn)而出版的集中供熱手冊中則明確地提出應(yīng)力分類法。出版的集中供熱手冊中則明確地提出應(yīng)力分類法。 1999年，在唐山市熱力公司、北京市煤氣熱力設(shè)計研究年，在唐山市熱力公

9、司、北京市煤氣熱力設(shè)計研究院、哈爾濱建筑大學(xué)和沈陽市熱力設(shè)計研究院等單位的努力院、哈爾濱建筑大學(xué)和沈陽市熱力設(shè)計研究院等單位的努力下，歷經(jīng)六年的國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)下，歷經(jīng)六年的國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程（規(guī)程（CJJ/T81-98）頒布實(shí)施，標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了采用應(yīng)力）頒布實(shí)施，標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了采用應(yīng)力分類法進(jìn)行直埋熱力管道的強(qiáng)度設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)的頒布也標(biāo)志著分類法進(jìn)行直埋熱力管道的強(qiáng)度設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)的頒布也標(biāo)志著我國直埋管道設(shè)計理論進(jìn)入了國際先進(jìn)水平。但目前國內(nèi)我國直埋管道設(shè)計理論進(jìn)入了國際先進(jìn)水平。但目前國內(nèi)規(guī)程中所給定的管道受力等計算圖表中數(shù)據(jù)均限制管徑規(guī)程中所給定的管道

10、受力等計算圖表中數(shù)據(jù)均限制管徑在在 DN500以下。然而隨著我國供熱事業(yè)的飛速發(fā)展，規(guī)程適以下。然而隨著我國供熱事業(yè)的飛速發(fā)展，規(guī)程適用范圍不能滿足實(shí)際熱網(wǎng)的需要，城市熱網(wǎng)的最大管徑都超用范圍不能滿足實(shí)際熱網(wǎng)的需要，城市熱網(wǎng)的最大管徑都超過過DN500。因此必須找到一種能適用于大口徑直埋管道的設(shè)。因此必須找到一種能適用于大口徑直埋管道的設(shè)計方法。計方法。 直埋供熱管道發(fā)展直埋供熱管道發(fā)展二、直埋供熱管道應(yīng)力二、直埋供熱管道應(yīng)力 對于直埋管道來說無論其管徑多大，管道所產(chǎn)生的應(yīng)力對于直埋管道來說無論其管徑多大，管道所產(chǎn)生的應(yīng)力主要是管內(nèi)介質(zhì)的內(nèi)壓力和管道發(fā)生軸向位移時的土壤軸向主要是管內(nèi)介質(zhì)的內(nèi)壓

11、力和管道發(fā)生軸向位移時的土壤軸向摩擦力，還有管道發(fā)生側(cè)向位移時的土壤側(cè)向壓縮反力。內(nèi)摩擦力，還有管道發(fā)生側(cè)向位移時的土壤側(cè)向壓縮反力。內(nèi)壓力所產(chǎn)生的一次應(yīng)力和土壤側(cè)向壓縮反力引起的管道二次壓力所產(chǎn)生的一次應(yīng)力和土壤側(cè)向壓縮反力引起的管道二次應(yīng)力的計算方法按照現(xiàn)有的應(yīng)力的計算方法按照現(xiàn)有的城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程程（CJJ/T81-98）進(jìn)行計算，但土壤軸向摩擦力引起的一）進(jìn)行計算，但土壤軸向摩擦力引起的一次應(yīng)力在現(xiàn)有的次應(yīng)力在現(xiàn)有的規(guī)程規(guī)程中忽略了管道本身自重的影響，這中忽略了管道本身自重的影響，這在小口徑直埋管道強(qiáng)度計算中是沒有問題的，但對于大口徑在小口徑直埋管

12、道強(qiáng)度計算中是沒有問題的，但對于大口徑直埋管道由于管道本身自重大，當(dāng)管道發(fā)生軸向位移時，由直埋管道由于管道本身自重大，當(dāng)管道發(fā)生軸向位移時，由自重產(chǎn)生的管道與土壤之間摩擦力不可忽略。自重產(chǎn)生的管道與土壤之間摩擦力不可忽略。直埋供熱管道發(fā)展=g(H+Dw /2)Dw+G 其中：其中： 軸線方向每米管道的摩擦力，軸線方向每米管道的摩擦力，Nm； 外管殼與土壤的摩擦系數(shù)；外管殼與土壤的摩擦系數(shù)； 土壤密度，土壤密度，kgm3 ，一般砂土取，一般砂土取1800 kgm3 ； g 重力加速度，重力加速度，ms2 ； H 管頂覆土深度，管頂覆土深度，m； Dw 預(yù)制保溫管外殼的外徑，預(yù)制保溫管外殼的外徑，

13、m； G 每米預(yù)制保溫管的滿水重量，每米預(yù)制保溫管的滿水重量，Nm。 管道軸向應(yīng)力：管道軸向應(yīng)力：Z = FA Z 管道軸向應(yīng)力，管道軸向應(yīng)力，MPa； F 管道軸向力，管道軸向力， N； 對于處在過渡段的管道對于處在過渡段的管道 F =L ， L 過渡段長度，過渡段長度，m； A 鋼管管壁橫截面積，鋼管管壁橫截面積，mm2。 通過計算，對于通過計算，對于DN1000 的預(yù)制保溫管埋深在的預(yù)制保溫管埋深在1.21.5 米時，米時，由管道自重引起的軸由管道自重引起的軸向應(yīng)力約占上式計算軸向應(yīng)力的向應(yīng)力約占上式計算軸向應(yīng)力的10%左右。左右。 直埋供熱管道發(fā)展三、三、直埋管道的安裝方式：直埋管道的

14、安裝方式：目前國內(nèi)對直埋管道的安裝方式通常主要有以下幾種：目前國內(nèi)對直埋管道的安裝方式通常主要有以下幾種： 1 、預(yù)熱安裝、預(yù)熱安裝 在管道安裝完之后覆土之前，管道進(jìn)行預(yù)熱（也可以在預(yù)熱在管道安裝完之后覆土之前，管道進(jìn)行預(yù)熱（也可以在預(yù)熱之前將管線覆土，僅在之前將管線覆土，僅在補(bǔ)償器附近的溝槽處敞口）。管道被加熱到預(yù)熱溫度時，保補(bǔ)償器附近的溝槽處敞口）。管道被加熱到預(yù)熱溫度時，保持溫度恒定，將一次性補(bǔ)償持溫度恒定，將一次性補(bǔ)償器焊死，接著進(jìn)行覆土，待整個預(yù)熱段全部回填完后，再開器焊死，接著進(jìn)行覆土，待整個預(yù)熱段全部回填完后，再開始降溫。始降溫。 2 、有補(bǔ)償安裝、有補(bǔ)償安裝 在管道安裝時，為保

15、證管道由溫升引起的二次應(yīng)力和由內(nèi)壓在管道安裝時，為保證管道由溫升引起的二次應(yīng)力和由內(nèi)壓引起的一次應(yīng)力的綜合引起的一次應(yīng)力的綜合應(yīng)力不超過鋼材的許用應(yīng)力，因此在管道系統(tǒng)中設(shè)置膨脹彎、應(yīng)力不超過鋼材的許用應(yīng)力，因此在管道系統(tǒng)中設(shè)置膨脹彎、補(bǔ)償器等吸收管道熱膨脹補(bǔ)償器等吸收管道熱膨脹的補(bǔ)償元件，使鋼管始終處在彈性范圍內(nèi)工作。的補(bǔ)償元件，使鋼管始終處在彈性范圍內(nèi)工作。 3 、冷安裝、冷安裝 冷安裝方式是冷安裝方式是ABB 集中供熱手冊中提出來的，其允許鋼管的集中供熱手冊中提出來的，其允許鋼管的最大軸向應(yīng)力為最大軸向應(yīng)力為325MPa，在管道系統(tǒng)中不設(shè)補(bǔ)償器，也不進(jìn)，在管道系統(tǒng)中不設(shè)補(bǔ)償器，也不進(jìn)行預(yù)熱

16、，但冷安裝對施工安裝要求較高。行預(yù)熱，但冷安裝對施工安裝要求較高。 直埋供熱管道發(fā)展四、直埋管道安全狀態(tài)的分析：四、直埋管道安全狀態(tài)的分析： 1、 強(qiáng)度失效強(qiáng)度失效 根據(jù)作用的不同（荷載）的不同，管道中的應(yīng)力可以分為一次應(yīng)力、二次根據(jù)作用的不同（荷載）的不同，管道中的應(yīng)力可以分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力，每種應(yīng)力都可以引起不同方式的破壞。應(yīng)力和峰值應(yīng)力，每種應(yīng)力都可以引起不同方式的破壞。 a) 塑性流動：內(nèi)壓產(chǎn)生的一次應(yīng)力，滿足靜力平衡條件，所引起的變形具塑性流動：內(nèi)壓產(chǎn)生的一次應(yīng)力，滿足靜力平衡條件，所引起的變形具有非自限性。當(dāng)一次應(yīng)力超過屈服應(yīng)力時，管壁會產(chǎn)生較大的塑性變形有非自限性。

17、當(dāng)一次應(yīng)力超過屈服應(yīng)力時，管壁會產(chǎn)生較大的塑性變形（塑性流動），塑性變形的進(jìn)一步增加，可導(dǎo)致爆裂或斷裂。（塑性流動），塑性變形的進(jìn)一步增加，可導(dǎo)致爆裂或斷裂。 b) 循環(huán)塑性變形：溫度變化產(chǎn)生的二次應(yīng)力，滿足變形協(xié)調(diào)條件，所引起循環(huán)塑性變形：溫度變化產(chǎn)生的二次應(yīng)力，滿足變形協(xié)調(diào)條件，所引起的變形具有自限性，變形的同時總能使應(yīng)力下降，反過來又使變形不在發(fā)的變形具有自限性，變形的同時總能使應(yīng)力下降，反過來又使變形不在發(fā)展，故二次應(yīng)力只會產(chǎn)生有限的塑性變形。然而，這種塑性變形會造成管展，故二次應(yīng)力只會產(chǎn)生有限的塑性變形。然而，這種塑性變形會造成管壁內(nèi)部結(jié)構(gòu)一定程度的損傷，循環(huán)往復(fù)的塑性變形將使管道發(fā)

18、生破損。在壁內(nèi)部結(jié)構(gòu)一定程度的損傷，循環(huán)往復(fù)的塑性變形將使管道發(fā)生破損。在管道的使用期間內(nèi)，當(dāng)循環(huán)變化的壓力和溫度所產(chǎn)生應(yīng)力（一次應(yīng)力及二管道的使用期間內(nèi)，當(dāng)循環(huán)變化的壓力和溫度所產(chǎn)生應(yīng)力（一次應(yīng)力及二次應(yīng)力）變化范圍超過了兩倍的屈服應(yīng)力時，將產(chǎn)生循環(huán)塑性破壞（在升次應(yīng)力）變化范圍超過了兩倍的屈服應(yīng)力時，將產(chǎn)生循環(huán)塑性破壞（在升溫過程中的壓縮塑性變形和在降溫過程中的拉伸塑性變形）。溫過程中的壓縮塑性變形和在降溫過程中的拉伸塑性變形）。 c) 疲勞破壞：應(yīng)力集中通常發(fā)生在彎頭、折角、大小頭及三通等管件處。疲勞破壞：應(yīng)力集中通常發(fā)生在彎頭、折角、大小頭及三通等管件處。在溫度和壓力變化過程中，應(yīng)力集

19、中引起的峰值應(yīng)力，只在很小的局部范在溫度和壓力變化過程中，應(yīng)力集中引起的峰值應(yīng)力，只在很小的局部范圍內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)塑性變形。一方面，該區(qū)域是被彈性區(qū)域包圍的，故不會引圍內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)塑性變形。一方面，該區(qū)域是被彈性區(qū)域包圍的，故不會引起爆裂或斷裂；另一方面，塑性變形對鋼材的損傷作用，使管道經(jīng)歷了一起爆裂或斷裂；另一方面，塑性變形對鋼材的損傷作用，使管道經(jīng)歷了一定的運(yùn)行周期后，產(chǎn)生疲勞破壞。峰值應(yīng)力的變化范圍越大，疲勞破壞所定的運(yùn)行周期后，產(chǎn)生疲勞破壞。峰值應(yīng)力的變化范圍越大，疲勞破壞所經(jīng)歷的周期就越短。經(jīng)歷的周期就越短。 直埋供熱管道發(fā)展2 穩(wěn)定失效穩(wěn)定失效 從整個管線看，管道屬于桿件；從管道局部看，

20、管道屬于薄從整個管線看，管道屬于桿件；從管道局部看，管道屬于薄壁殼體。當(dāng)熱力管道處于受壓狀態(tài)時，將可能出現(xiàn)兩種不同壁殼體。當(dāng)熱力管道處于受壓狀態(tài)時，將可能出現(xiàn)兩種不同方式失穩(wěn)破壞。方式失穩(wěn)破壞。 整體失穩(wěn)：在軸向壓應(yīng)力作用下，由于壓桿效應(yīng)，可能會引整體失穩(wěn)：在軸向壓應(yīng)力作用下，由于壓桿效應(yīng)，可能會引起管線的整體失穩(wěn)。起管線的整體失穩(wěn)。 局部失穩(wěn)：在軸向壓應(yīng)力作用下，管壁可能出現(xiàn)局部皺結(jié)，局部失穩(wěn)：在軸向壓應(yīng)力作用下，管壁可能出現(xiàn)局部皺結(jié)，引起局部失穩(wěn)。引起局部失穩(wěn)。 除上述失效方式外，橫斷面上的土壤荷載和交通荷載也會使除上述失效方式外，橫斷面上的土壤荷載和交通荷載也會使管道截面產(chǎn)生橢圓化變形，

21、過大的橢圓化變形也會使管道產(chǎn)管道截面產(chǎn)生橢圓化變形，過大的橢圓化變形也會使管道產(chǎn)生破壞生破壞直埋供熱管道發(fā)展五、大口徑直埋管道的設(shè)計要點(diǎn)：五、大口徑直埋管道的設(shè)計要點(diǎn)： 當(dāng)管道的管徑不大于當(dāng)管道的管徑不大于DN500 時，管道只會出現(xiàn)無限塑性時，管道只會出現(xiàn)無限塑性流動、循環(huán)塑性變形、疲勞破壞和整體失穩(wěn)，而不會有其它流動、循環(huán)塑性變形、疲勞破壞和整體失穩(wěn)，而不會有其它方式的破壞出現(xiàn)。針對這種情況，破壞方式出現(xiàn)的強(qiáng)度條件。方式的破壞出現(xiàn)。針對這種情況，破壞方式出現(xiàn)的強(qiáng)度條件。當(dāng)上述強(qiáng)度條件得到滿足時，當(dāng)上述強(qiáng)度條件得到滿足時，DN500 以下的管道將處于安全以下的管道將處于安全狀態(tài)狀態(tài)。 當(dāng)管道

22、的管徑大于當(dāng)管道的管徑大于DN500 時，除上述破壞方式外，局部時，除上述破壞方式外，局部失穩(wěn)和截面橢圓變形出現(xiàn)的概率將大大增加，會成為大口徑失穩(wěn)和截面橢圓變形出現(xiàn)的概率將大大增加，會成為大口徑直埋管道的主要失效方式。那么，需要針對這兩種方式建立直埋管道的主要失效方式。那么，需要針對這兩種方式建立新的強(qiáng)度條件，并使管道滿足上述條件，則管道處于安全狀新的強(qiáng)度條件，并使管道滿足上述條件，則管道處于安全狀態(tài)，這時，大口徑預(yù)制保溫管的直埋敷設(shè)是可行的態(tài)，這時，大口徑預(yù)制保溫管的直埋敷設(shè)是可行的。 直埋供熱管道發(fā)展a) 局部失穩(wěn)：驗(yàn)算鋼管管壁局部穩(wěn)定性的強(qiáng)度條件。產(chǎn)生局部失局部失穩(wěn)：驗(yàn)算鋼管管壁局部穩(wěn)定

23、性的強(qiáng)度條件。產(chǎn)生局部失穩(wěn)的因素是管道的軸向應(yīng)變，軸向應(yīng)變?nèi)Q于熱脹變形的大小和穩(wěn)的因素是管道的軸向應(yīng)變，軸向應(yīng)變?nèi)Q于熱脹變形的大小和熱脹變形的釋放程度。由于冷安裝方式的下的管道溫升大于預(yù)熱熱脹變形的釋放程度。由于冷安裝方式的下的管道溫升大于預(yù)熱安裝方式下的管道溫升，故預(yù)熱安裝方式下，熱脹變形量較小，安裝方式下的管道溫升，故預(yù)熱安裝方式下，熱脹變形量較小，熱脹變形的釋放與管道補(bǔ)償狀態(tài)有關(guān)，有補(bǔ)償管段的釋放程度要熱脹變形的釋放與管道補(bǔ)償狀態(tài)有關(guān)，有補(bǔ)償管段的釋放程度要大于無補(bǔ)償管段的釋放程度。另一方面，局部失穩(wěn)的可能性還與大于無補(bǔ)償管段的釋放程度。另一方面，局部失穩(wěn)的可能性還與管道的截面性有關(guān)

24、，在軸向應(yīng)變管道的截面性有關(guān)，在軸向應(yīng)變相同的管道中，隨著管壁的增厚而局部失穩(wěn)的可能性減少，而隨相同的管道中，隨著管壁的增厚而局部失穩(wěn)的可能性減少，而隨著鋼管平均半徑的增大而局部失穩(wěn)的可能性增大。計算方法如下著鋼管平均半徑的增大而局部失穩(wěn)的可能性增大。計算方法如下： 計算極限狀態(tài)應(yīng)力時計算極限狀態(tài)應(yīng)力時： rm28.7 則：則：Z max334 MPa； rm28.7 則：則：Z max 9250(rm )+11.7 MPa； 計算極限狀態(tài)溫差時計算極限狀態(tài)溫差時： rm28.7 則：則：T130； rm28.7 則：則：T3500(rm )+8 ； 式中：式中：rm 鋼管的平均半徑，鋼管的平

25、均半徑，m； 鋼管的壁厚，鋼管的壁厚，m； Z max 管道最大軸向應(yīng)力，管道最大軸向應(yīng)力，MPa； T 管道工作與安裝溫差管道工作與安裝溫差，。 直埋供熱管道發(fā)展b) 橢圓化變形：驗(yàn)算土壓力和車輛荷載作用下控制鋼管截面橢圓化變形：驗(yàn)算土壓力和車輛荷載作用下控制鋼管截面橢圓化變形的穩(wěn)定條件，即保證鋼管截面橢圓化變形不大于橢圓化變形的穩(wěn)定條件，即保證鋼管截面橢圓化變形不大于鋼管外徑的鋼管外徑的30%。產(chǎn)生徑向變形的主。產(chǎn)生徑向變形的主要原因是管道上作用的垂直荷載，包括隨埋深增加而加大的要原因是管道上作用的垂直荷載，包括隨埋深增加而加大的土壤荷載和隨埋深增加而減土壤荷載和隨埋深增加而減小的車輛荷載

26、。同樣，還與鋼管的截面參數(shù)有關(guān)，在相同的小的車輛荷載。同樣，還與鋼管的截面參數(shù)有關(guān)，在相同的垂直荷載作用下，平均半徑垂直荷載作用下，平均半徑越大，徑向變形越大，管壁越厚，徑向變形越小。當(dāng)埋深較越大，徑向變形越大，管壁越厚，徑向變形越小。當(dāng)埋深較淺或較深時，應(yīng)適當(dāng)加大鋼淺或較深時，應(yīng)適當(dāng)加大鋼管的壁厚，這樣才能保證局部失穩(wěn)的要求管的壁厚，這樣才能保證局部失穩(wěn)的要求。 第二章第二章現(xiàn)階段直埋供熱工程現(xiàn)階段直埋供熱工程現(xiàn)階段直埋供熱工程 直埋供熱管道分為無補(bǔ)償直埋敷設(shè)和有補(bǔ)償直埋敷設(shè)。直埋供熱管道分為無補(bǔ)償直埋敷設(shè)和有補(bǔ)償直埋敷設(shè)。無補(bǔ)償直埋敷設(shè)又可分為冷安裝無補(bǔ)償、預(yù)應(yīng)力無補(bǔ)償。預(yù)無補(bǔ)償直埋敷設(shè)又

27、可分為冷安裝無補(bǔ)償、預(yù)應(yīng)力無補(bǔ)償。預(yù)應(yīng)力無補(bǔ)償有分為機(jī)械拉伸、敞槽預(yù)熱、一次補(bǔ)償?shù)榷喾N形應(yīng)力無補(bǔ)償有分為機(jī)械拉伸、敞槽預(yù)熱、一次補(bǔ)償?shù)榷喾N形式。預(yù)熱方式又分為熱水、熱風(fēng)和電熱等。式。預(yù)熱方式又分為熱水、熱風(fēng)和電熱等。一、直埋管的穩(wěn)定性驗(yàn)算一、直埋管的穩(wěn)定性驗(yàn)算（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）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，大于性要求，一般而言，大于DN700的直管道不必從垂直穩(wěn)定性的直管道不必從垂直穩(wěn)定性考慮限制其埋深?？紤]限制其埋深。（2）局部穩(wěn)定性分析：公稱直徑不大于）局部穩(wěn)定性分析：公稱直徑不大于DN800、工作溫差小、工作溫差小

28、于于85時，不會出現(xiàn)局部失穩(wěn)；當(dāng)供水溫度大于時，不會出現(xiàn)局部失穩(wěn)；當(dāng)供水溫度大于130、公、公稱直徑大于稱直徑大于DN800時，采用標(biāo)準(zhǔn)壁厚的鋼管，在錨固段可能時，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)。會出現(xiàn)局部皺結(jié)?，F(xiàn)階段直埋供熱工程二、直埋管的強(qiáng)度驗(yàn)算二、直埋管的強(qiáng)度驗(yàn)算無補(bǔ)償管段強(qiáng)度驗(yàn)算有兩種強(qiáng)度驗(yàn)算理論：彈性分析法（第四強(qiáng)度理論）和安定無補(bǔ)償管段強(qiáng)度驗(yàn)算有兩種強(qiáng)度驗(yàn)算理論：彈性分析法（第四強(qiáng)度理論）和安定分析法（彈塑性分析，第三強(qiáng)度理論）。分析法（彈塑性分析，第三強(qiáng)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（直埋管的安定條件判斷，根據(jù)應(yīng)變大小可分為不發(fā)

29、生任何塑性變（2s，|s，安定狀態(tài)）、發(fā)生有限塑性變形（，安定狀態(tài)）、發(fā)生有限塑性變形（2s，|s安定狀態(tài)），發(fā)生循安定狀態(tài)），發(fā)生循環(huán)塑性變形（環(huán)塑性變形（2s，不安定狀態(tài)），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）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s?？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)力考慮安全因素后，設(shè)計應(yīng)保證一次應(yīng)力不大于許用應(yīng)力。（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，）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（

30、熱應(yīng)力，升溫產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力，降溫產(chǎn)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倍屈服極限倍屈服極限s?？紤]安全因。考慮安全因素后，用抗拉強(qiáng)度素后，用抗拉強(qiáng)度b代替代替2s。管道安定條件：當(dāng)量應(yīng)力變化范圍不大于。管道安定條件：當(dāng)量應(yīng)力變化范圍不大于3。（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)）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)力變化范圍不大于力集中）綜合作用下應(yīng)力變化范圍不大于6，亦即當(dāng)量應(yīng)力幅度不大于

31、，亦即當(dāng)量應(yīng)力幅度不大于3。t1：設(shè)計供水溫度，：設(shè)計供水溫度，；t2：最低工作溫度，：最低工作溫度，；全年運(yùn)行；全年運(yùn)行30，冬季運(yùn)行，冬季運(yùn)行10。t0：安裝計算溫度，：安裝計算溫度，；環(huán)境溫度，一般為；環(huán)境溫度，一般為10，不小于，不小于0，預(yù)熱安裝時取預(yù)熱，預(yù)熱安裝時取預(yù)熱溫度。鋼材（溫度。鋼材（Q235）的屈服極限）的屈服極限s為為235Mpa，抗拉強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度b為為375Mpa，許用應(yīng)，許用應(yīng)力力為為125Mpa（1/3抗拉強(qiáng)度）抗拉強(qiáng)度）現(xiàn)階段直埋供熱工程1關(guān)于過渡段長度計算關(guān)于過渡段長度計算當(dāng)直管段兩端補(bǔ)償裝置間距大于過渡段極限長度（最大摩擦長度）兩倍時，在兩當(dāng)直管段兩端補(bǔ)償

32、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(diǎn)之間會形成一無補(bǔ)償管段（自然錨固段）；當(dāng)補(bǔ)償裝置間距小于（自然）錨固點(diǎn)之間會形成一無補(bǔ)償管段（自然錨固段）；當(dāng)補(bǔ)償裝置間距小于等于兩倍過渡段長度時，以駐點(diǎn)為界分為兩個過渡段（有補(bǔ)償段）。等于兩倍過渡段長度時，以駐點(diǎn)為界分為兩個過渡段（有補(bǔ)償段）。無補(bǔ)償冷安裝直埋敷設(shè)的條件：無補(bǔ)償冷安裝直埋敷設(shè)的條件：根據(jù)彈性理論分析（根據(jù)彈性理論分析（eq1.35），只要安裝溫差不大于彈性溫差，就允許直），只要安裝溫差不大于彈性溫差，就允許直管段不安裝補(bǔ)償器而進(jìn)行無補(bǔ)償直埋敷設(shè)，管道在彈性狀態(tài)下運(yùn)行。換言之，當(dāng)管段不安裝補(bǔ)償器而進(jìn)行無補(bǔ)償直埋

33、敷設(shè)，管道在彈性狀態(tài)下運(yùn)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(bǔ)償器，設(shè)置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(bǔ)償器，設(shè)置補(bǔ)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。過渡段長度可以根補(bǔ)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(diǎn)處軸向應(yīng)力以及單長摩擦力求出。據(jù)存在錨固段時駐點(diǎn)處軸向應(yīng)力以及單長摩擦力求出。上述彈性溫差（上述彈性溫差（58.067.4）與管道工作壓力（）與管道工作壓力（1.02.5Mpa）、公稱直徑）、公稱直徑（DN401000）有關(guān)。供熱管網(wǎng)安裝溫度按）有關(guān)。供熱管網(wǎng)安裝

34、溫度按10計算，設(shè)計供水溫度一般均大于計算，設(shè)計供水溫度一般均大于80，回水溫度均小于，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(bǔ)償，因此，無論一二次網(wǎng)，直埋管供水管均需安裝補(bǔ)償裝置，回水管可考慮無補(bǔ)償敷設(shè)。裝置，回水管可考慮無補(bǔ)償敷設(shè)。根據(jù)彈塑性理論分析（根據(jù)彈塑性理論分析（eq3），當(dāng)量應(yīng)力小于兩倍屈服極限，引入安全系數(shù)），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ê?，用三倍許用應(yīng)力代替?；诎捕ǚ治龅膹椥詼夭睿?21.0149.3）也提高）也提高許多，這樣，即使供水溫度高達(dá)許多，這樣，即使供水溫度高達(dá)140，冷安裝也可采用直

35、線段無補(bǔ)償直埋敷設(shè)。，冷安裝也可采用直線段無補(bǔ)償直埋敷設(shè)。但是，正因?yàn)椴捎昧讼喈?dāng)高的應(yīng)力驗(yàn)算值，需要對三通、彎頭等應(yīng)力集中的局部但是，正因?yàn)椴捎昧讼喈?dāng)高的應(yīng)力驗(yàn)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(qiáng)措施。管件必要時采取加強(qiáng)措施?，F(xiàn)階段直埋供熱工程 基于彈塑性理論分析，與彈性理論類似，當(dāng)安裝溫差大于彈性溫基于彈塑性理論分析，與彈性理論類似，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(bǔ)償器。事實(shí)上，對于差時，直管段中不允許存在錨固段，必須安裝補(bǔ)償器。事實(shí)上，對于130，1.6MPa的直埋管是允許存在錨固段的。的直埋管是允許存在錨固段的。 按照安定分析方法，在計算

36、熱伸長時必須先確定管道的屈服溫度，按照安定分析方法，在計算熱伸長時必須先確定管道的屈服溫度，當(dāng)安裝溫差小于屈服溫度時，伸長量仍按彈性分析方法計算；當(dāng)安裝當(dāng)安裝溫差小于屈服溫度時，伸長量仍按彈性分析方法計算；當(dāng)安裝溫差大于屈服溫差且小于彈性溫差時，管道允許進(jìn)入屈服階段，伸長溫差大于屈服溫差且小于彈性溫差時，管道允許進(jìn)入屈服階段，伸長量計算還需知道過渡段長度。過渡段長度是判斷管道是否出現(xiàn)錨固段量計算還需知道過渡段長度。過渡段長度是判斷管道是否出現(xiàn)錨固段的分界點(diǎn)。當(dāng)安裝長度小于過渡段時，即使超過屈服溫差，伸長量仍的分界點(diǎn)。當(dāng)安裝長度小于過渡段時，即使超過屈服溫差，伸長量仍按彈性管段計算；當(dāng)安裝長度大

37、于過渡段時，長度大于過渡段的管段按彈性管段計算；當(dāng)安裝長度大于過渡段時，長度大于過渡段的管段處于錨固狀態(tài)（屈服狀態(tài)），其余部分產(chǎn)生塑性變形。也正是由于改處于錨固狀態(tài)（屈服狀態(tài)），其余部分產(chǎn)生塑性變形。也正是由于改塑性變形的存在，在管道再次進(jìn)入溫度循環(huán)過程時就已經(jīng)存在一定的塑性變形的存在，在管道再次進(jìn)入溫度循環(huán)過程時就已經(jīng)存在一定的預(yù)應(yīng)力，管道此后不再進(jìn)入屈服，此時伸長量會減少一定長度（由于預(yù)應(yīng)力，管道此后不再進(jìn)入屈服，此時伸長量會減少一定長度（由于屈服被壓縮的量）。屈服被壓縮的量）。 同樣地分析，當(dāng)安裝溫差大于彈性溫差時，管道不允許進(jìn)入錨固同樣地分析，當(dāng)安裝溫差大于彈性溫差時，管道不允許進(jìn)入錨

38、固狀態(tài)。管道的安裝長度應(yīng)小于存在錨固段時的過渡段長度。狀態(tài)。管道的安裝長度應(yīng)小于存在錨固段時的過渡段長度?，F(xiàn)階段直埋供熱工程2關(guān)于固定支架設(shè)置原則關(guān)于固定支架設(shè)置原則當(dāng)直管段兩端同為（普通）補(bǔ)償器或彎管補(bǔ)償時，直管段上可不設(shè)固當(dāng)直管段兩端同為（普通）補(bǔ)償器或彎管補(bǔ)償時，直管段上可不設(shè)固定墩；一端為補(bǔ)償器，一端為補(bǔ)償彎管，當(dāng)補(bǔ)償器至彎管的摩擦力大定墩；一端為補(bǔ)償器，一端為補(bǔ)償彎管，當(dāng)補(bǔ)償器至彎管的摩擦力大于流體作用于彎管的內(nèi)壓推力（盲板力）時可不設(shè)固定墩，否則應(yīng)在于流體作用于彎管的內(nèi)壓推力（盲板力）時可不設(shè)固定墩，否則應(yīng)在固定點(diǎn)處設(shè)置固定墩。固定點(diǎn)處設(shè)置固定墩。3關(guān)于冷安裝和預(yù)熱安裝關(guān)于冷安裝和

39、預(yù)熱安裝從應(yīng)力變化范圍分析，冷安裝與預(yù)熱安裝是相同的，但是預(yù)熱安裝的從應(yīng)力變化范圍分析，冷安裝與預(yù)熱安裝是相同的，但是預(yù)熱安裝的應(yīng)力幅度約為冷安裝的一半，也就是說，采用無補(bǔ)償冷安裝時管道附應(yīng)力幅度約為冷安裝的一半，也就是說，采用無補(bǔ)償冷安裝時管道附件如彎頭、三通、變徑、折角等的升溫位移將會是預(yù)熱安裝的兩倍。件如彎頭、三通、變徑、折角等的升溫位移將會是預(yù)熱安裝的兩倍。預(yù)熱安裝又可分為：整體預(yù)熱、分段預(yù)熱和一次補(bǔ)償三種形式，其中預(yù)熱安裝又可分為：整體預(yù)熱、分段預(yù)熱和一次補(bǔ)償三種形式，其中一次補(bǔ)償為回填預(yù)熱。一次補(bǔ)償為回填預(yù)熱。由于管道熱應(yīng)力變化與管道整體焊接溫度無關(guān)，對于直管段、變徑、由于管道熱應(yīng)

40、力變化與管道整體焊接溫度無關(guān)，對于直管段、變徑、三通、彎頭等局部管件的強(qiáng)度驗(yàn)算，冷安裝與預(yù)應(yīng)力安裝均具有相同三通、彎頭等局部管件的強(qiáng)度驗(yàn)算，冷安裝與預(yù)應(yīng)力安裝均具有相同的強(qiáng)度狀態(tài)；然而，由于預(yù)應(yīng)力安裝管道整體焊接溫度提高，使溫升的強(qiáng)度狀態(tài)；然而，由于預(yù)應(yīng)力安裝管道整體焊接溫度提高，使溫升降低，這樣，預(yù)應(yīng)力安裝比冷安裝管道軸向內(nèi)力、固定墩推力和補(bǔ)償降低，這樣，預(yù)應(yīng)力安裝比冷安裝管道軸向內(nèi)力、固定墩推力和補(bǔ)償器補(bǔ)償量將會有所下降，從而管道整體和局部的穩(wěn)定性將有所提高。器補(bǔ)償量將會有所下降，從而管道整體和局部的穩(wěn)定性將有所提高?，F(xiàn)階段直埋供熱工程公稱直徑外徑壁厚保溫管中心距E溝寬B細(xì)砂層C最小覆土溝

41、深H溝頂寬WDN100108x4200 x3.9400100020080014002870DN200219x6315x6.25001300200100017153590DN400426x7550 x8.87801800300120023504935DN500529x8655x9.810002100300120024555375DN800820 x10960 x1413502900300140029606850DN900920 x121055x1414503100300140030557175DN10001020 x131155x1415503310300140031557520直埋管斷面布置尺

42、寸參考（直埋管斷面布置尺寸參考（mm）注：放坡角注：放坡角60，或放坡比，或放坡比1:1.5。現(xiàn)階段直埋供熱工程公稱直徑最小覆土無補(bǔ)償溫差駐點(diǎn)軸向應(yīng)力過渡段長度熱伸長量DN10080065.61894736DN200100064.85486851DN400120061.511556449DN500120061.818558463DN80014005828767254DN900140059.140719068DN1000140058.948819673彈性分析法直埋管過渡段長度（彈性分析法直埋管過渡段長度（m）駐點(diǎn)軸向應(yīng)力（）駐點(diǎn)軸向應(yīng)力（kN）及熱伸長量（）及熱伸長量（mm）注：工作壓力注：工

43、作壓力1.6MPa、溫差、溫差130，摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)0.4，熱脹系數(shù)，熱脹系數(shù)12.610-6-1。 現(xiàn)階段直埋供熱工程公稱直徑最小覆土無補(bǔ)償溫差屈服溫差駐點(diǎn)軸向應(yīng)力過渡段長度熱伸長量DN100800144.9117.3379163136DN2001000143.1115.51145246208DN4001200137.2109.62494238204DN5001200135.61083492264228DN8001400132.1104.46561276241DN9001400133.71068961342297DN10001400133.3105.710736367318安定分析法直埋

44、管過渡段長度（安定分析法直埋管過渡段長度（m）駐點(diǎn)軸向應(yīng)力（）駐點(diǎn)軸向應(yīng)力（kN）及熱伸長量（）及熱伸長量（mm）注：工作壓力注：工作壓力1.6MPa、溫差、溫差130，摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)0.4，熱脹系數(shù)，熱脹系數(shù)12.610-6-1?，F(xiàn)階段直埋供熱工程DN152025324050150200v(m/s)0.60.811.31.522.33.0設(shè)計供回水溫差（）推薦值（Pa/m）40406040806080熱水管網(wǎng)允許流速（城市供熱手冊湯惠芬熱水管網(wǎng)允許流速（城市供熱手冊湯惠芬 范季賢）范季賢）熱水管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)比壓降（城市供熱手冊湯惠芬熱水管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)比壓降（城市供熱手冊湯惠芬 范季賢）范季賢）注：使

45、用范圍注：使用范圍710km，設(shè)一級中繼泵站時比壓降取推薦值的，設(shè)一級中繼泵站時比壓降取推薦值的1.2倍，設(shè)有兩級時取倍，設(shè)有兩級時取1.4倍。倍。第三章第三章供熱直埋土壤摩擦系數(shù)供熱直埋土壤摩擦系數(shù)供熱直埋土壤摩擦系數(shù) 近年來，熱水供熱管道的直埋敷設(shè)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。隨著國家節(jié)能減近年來，熱水供熱管道的直埋敷設(shè)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。隨著國家節(jié)能減排政策的實(shí)施，集中供熱成為趨勢，直埋供熱管道的管徑也逐漸突破了排政策的實(shí)施，集中供熱成為趨勢，直埋供熱管道的管徑也逐漸突破了CJJ/T 8198城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程(以下簡稱規(guī)程以下簡稱規(guī)程)的限制，公稱的限制，公

46、稱直徑直徑500mm的熱水管道也越來越多地采用直埋敷設(shè)技術(shù)。直埋供熱管道的的熱水管道也越來越多地采用直埋敷設(shè)技術(shù)。直埋供熱管道的摩擦力計算，大多是依據(jù)規(guī)程中的計算方法，然而在應(yīng)用過程中，有一些摩擦力計算，大多是依據(jù)規(guī)程中的計算方法，然而在應(yīng)用過程中，有一些計算問題值得探討。計算問題值得探討。1 摩擦力計算式摩擦力計算式在直埋供熱管道設(shè)計中，受力計算與應(yīng)力驗(yàn)算是很重要的設(shè)計依據(jù)。在設(shè)計計算中，直埋供熱管道與土壤之間的摩擦力計算是一項復(fù)雜的土壤力學(xué)問題。規(guī)程規(guī)定，單位長度直埋供熱管道與土壤間摩擦力F的計算式為： 式中F單位長度直埋供熱管道與土壤間摩擦力，N/m 土壤密度，kg/m3 g重力加速度，

47、m/s2 保溫管外殼與周圍回填砂土間的摩擦系數(shù) Dc保溫管外殼的外徑，m h管頂覆土深度，m 在摩擦力計算中，摩擦系數(shù)與管頂覆土深度h為變量，二者的取值直接影響摩擦力的計算結(jié)果。供熱直埋土壤摩擦系數(shù)2 摩擦系數(shù)摩擦系數(shù) 摩擦系數(shù)是計算摩擦力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也是直埋供熱管道設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。過渡段長度的確定，熱伸長量的計算，補(bǔ)償器補(bǔ)償量的計算，固定支座推力計算及直管、彎管應(yīng)力驗(yàn)算等，都需要預(yù)先確定摩擦系數(shù)。 摩擦系數(shù)除了與回填砂土、保溫管外殼的物理性質(zhì)有關(guān)外，還受到施工中回填砂土的夯實(shí)程度、管道熱伸長量、伸縮次數(shù)、供熱介質(zhì)溫度、壓力等的影響1。根據(jù)工程現(xiàn)場的實(shí)測數(shù)據(jù)，得出摩擦系數(shù)隨管道熱伸長量L、運(yùn)行

48、溫度與安裝溫度之差t的變化，見圖1、21。 由圖1、2可知，“隨L和t的增加而增加。規(guī)程給出了保溫管外殼(適用于高密度聚乙烯、玻璃鋼)與回填砂土間摩擦系數(shù)的取值范圍，見表1。供熱直埋土壤摩擦系數(shù) 直埋供熱管道首次運(yùn)行時，由于土壓力的作用，摩擦系數(shù)較大。隨著運(yùn)行溫度的升高，管道熱伸長是漸進(jìn)式的，即從靠近補(bǔ)償器的管段擴(kuò)展到整個管段。管網(wǎng)運(yùn)行初期，摩擦系數(shù)大，但由于t較小，熱膨脹力小，固定支座受到的推力也小。當(dāng)達(dá)到最高運(yùn)行溫度時，靠近補(bǔ)償器處的管段已有過多次熱伸長移動，此時土壤形成消力拱，管段摩擦系數(shù)將變小。 實(shí)際運(yùn)行中，管道摩擦力理論計算結(jié)果往往大于實(shí)際情況，參考管道頂管施工中估算頂進(jìn)力Ft(頂進(jìn)

49、力計算結(jié)果與規(guī)程中摩擦力計算結(jié)果等效)的經(jīng)驗(yàn)公式2： Ft=nW (2)式中Ft頂進(jìn)力，N n土質(zhì)系數(shù)，對于能短期形成土拱的土壤，取1.52.0；對于不能形成土拱的土壤，取34 W被頂管段的全部重量，N 根據(jù)式(2)，對于相同管徑的直埋供熱管道，當(dāng)n=4時，計算出的頂進(jìn)力遠(yuǎn)小于根據(jù)規(guī)程取最小摩擦系數(shù)0.15計算得到的摩擦力。因此，摩擦系數(shù)受許多工程因素影響，還不能用一個簡單的函數(shù)關(guān)系式準(zhǔn)確表達(dá)，只能給出一個變化范圍。供熱直埋土壤摩擦系數(shù)3 管頂覆土深度管頂覆土深度 在供熱管道直埋敷設(shè)時，管頂覆土深度要依據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦螠y量圖而定，且必須符合規(guī)程關(guān)于直埋供熱管道最小覆土深度的要求。對于敷設(shè)在車行道下

50、的公稱管徑500mm的直埋熱水供熱管道，為避免車輛荷載對管道構(gòu)成的危害，規(guī)程規(guī)定的管頂最小覆土深度。車行道下直埋熱水供熱管道管頂最小覆土深度車行道下直埋熱水供熱管道管頂最小覆土深度公稱直徑/mm50125 150300350500管頂覆土深度/m 0.8 1.0 1.2 在計算摩擦力時，由于土壤存在著消力拱的作用，規(guī)程規(guī)定，對于公稱直徑500mm的管道，保溫結(jié)構(gòu)斷面較小，保溫層又有較大彈性，因此管頂覆土深度超過1.5m時，仍按1.5m計算。 然而，當(dāng)前許多供熱工程的直埋供熱管道已突破DN 500mm，超出了規(guī)程的限制。在設(shè)計中，管頂覆土深度超過1.5m的情況也很常見。土壤的消力拱作用需要根據(jù)不

51、同管徑和土質(zhì)情況進(jìn)行土壤力學(xué)分析，以判斷管頂覆土深度為何值時出現(xiàn)消力拱作用，最后還應(yīng)通過試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證3，然而我國缺乏相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對于公稱直徑500mm的直埋熱水供熱管道，我們結(jié)合工程實(shí)踐，當(dāng)管頂實(shí)際覆土深度大于1.6m時，計算值可取1.62.0m。第四章第四章供熱直管段應(yīng)力驗(yàn)算供熱直管段應(yīng)力驗(yàn)算供熱直管段應(yīng)力驗(yàn)算 供熱系統(tǒng)熱媒溫度的選擇是一個經(jīng)濟(jì)技術(shù)問題。一方面供水溫度低、管徑細(xì)、節(jié)省投資，另一方面熱媒溫度高、長直管段軸向內(nèi)力大、熱應(yīng)力大，不允許進(jìn)入錨固段，需要設(shè)置補(bǔ)償器及配套設(shè)施，從而又增加了管網(wǎng)工程造價、管網(wǎng)維護(hù)維修費(fèi)用。通過應(yīng)力算，確定滿足無補(bǔ)償管段強(qiáng)度條件的最大允許溫差，據(jù)此確定出

52、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可靠的供水溫度。 本章第一節(jié)介紹了直埋管道中的應(yīng)力、破壞方式，從應(yīng)力和應(yīng)變角度分析了直埋管道強(qiáng)度破壞的表現(xiàn)形式及采用應(yīng)力分類的強(qiáng)度條件；第二節(jié)第四節(jié)詳細(xì)闡述了無補(bǔ)償管段應(yīng)力驗(yàn)算的彈性分析理論，以及支撐無補(bǔ)償管段的有補(bǔ)償管段最大熱伸長量和任一分支點(diǎn)的熱伸長計算。供熱直管段應(yīng)力驗(yàn)算一、直埋管道中的應(yīng)力一、直埋管道中的應(yīng)力 直埋供熱管道的安全性取決于管道中應(yīng)力的大小，而應(yīng)力的大小又取決于作用與直埋供熱管道的安全性取決于管道中應(yīng)力的大小，而應(yīng)力的大小又取決于作用與管道的荷載。前已述及，在紙直埋供熱管道中，荷載包括主動荷載和被動荷載。管道的荷載。前已述及，在紙直埋供熱管道中，荷載包括主動荷

53、載和被動荷載。前已述及，在直埋供熱管道中，荷載包括主動荷載和被動荷載。主動荷載是指由前已述及，在直埋供熱管道中，荷載包括主動荷載和被動荷載。主動荷載是指由于溫度變化和工作壓力引起的管道受力；被動荷載是指土壤摩擦力和補(bǔ)償器位移于溫度變化和工作壓力引起的管道受力；被動荷載是指土壤摩擦力和補(bǔ)償器位移阻力，包括套筒補(bǔ)償器摩擦力，波紋補(bǔ)償器、阻力，包括套筒補(bǔ)償器摩擦力，波紋補(bǔ)償器、L形和形和Z形補(bǔ)償器彈性力等。形補(bǔ)償器彈性力等。 按照應(yīng)力分類的觀點(diǎn)，不同的荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力可導(dǎo)致不同的管件出現(xiàn)不同的失按照應(yīng)力分類的觀點(diǎn)，不同的荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力可導(dǎo)致不同的管件出現(xiàn)不同的失效方式。按照電廠汽水管道應(yīng)力計算規(guī)定

54、，應(yīng)力可分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰效方式。按照電廠汽水管道應(yīng)力計算規(guī)定，應(yīng)力可分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。一次應(yīng)力指工作壓力在直管中產(chǎn)生的應(yīng)力，如內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力值應(yīng)力。一次應(yīng)力指工作壓力在直管中產(chǎn)生的應(yīng)力，如內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力等。二次應(yīng)力指熱脹冷縮受到外力約束時，在直管中產(chǎn)生的應(yīng)力，如升溫產(chǎn)生的等。二次應(yīng)力指熱脹冷縮受到外力約束時，在直管中產(chǎn)生的應(yīng)力，如升溫產(chǎn)生的軸向壓應(yīng)力、降溫產(chǎn)生的軸向軸向壓應(yīng)力。峰值應(yīng)力指承受一次應(yīng)力和二次應(yīng)力軸向壓應(yīng)力、降溫產(chǎn)生的軸向軸向壓應(yīng)力。峰值應(yīng)力指承受一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的直管道向結(jié)構(gòu)不連續(xù)的管件如三通、變徑管、彎管等處釋放變形，在該管件的的直管

55、道向結(jié)構(gòu)不連續(xù)的管件如三通、變徑管、彎管等處釋放變形，在該管件的開口周圍產(chǎn)生的應(yīng)力。管道應(yīng)力參見圖開口周圍產(chǎn)生的應(yīng)力。管道應(yīng)力參見圖6-1。 供熱直管段應(yīng)力驗(yàn)算 需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是土壤對直埋管道應(yīng)力的影響。土壤對直需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是土壤對直埋管道應(yīng)力的影響。土壤對直埋管道應(yīng)力的影響包括土壤的支撐作用和土壤對熱脹冷縮的約埋管道應(yīng)力的影響包括土壤的支撐作用和土壤對熱脹冷縮的約束作用。一方面，土壤的支撐作用使管道自重不會產(chǎn)生橫向彎束作用。一方面，土壤的支撐作用使管道自重不會產(chǎn)生橫向彎曲變形，因此可以忽略像地溝敷設(shè)、架空敷設(shè)那樣的對管道強(qiáng)曲變形，因此可以忽略像地溝敷設(shè)、架空敷設(shè)那樣的對管道強(qiáng)度影響較大的重

56、力作用；另一方面，土壤的摩擦阻力壓縮了熱度影響較大的重力作用；另一方面，土壤的摩擦阻力壓縮了熱脹冷縮，使管道產(chǎn)生了較大的二次應(yīng)力即熱應(yīng)力，與地溝敷設(shè)、脹冷縮，使管道產(chǎn)生了較大的二次應(yīng)力即熱應(yīng)力，與地溝敷設(shè)、架空敷設(shè)相比，熱應(yīng)力作用對直埋管道應(yīng)力影響變得十分突出。架空敷設(shè)相比，熱應(yīng)力作用對直埋管道應(yīng)力影響變得十分突出。 直埋供熱管道中熱應(yīng)力的水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)壓產(chǎn)生的一次應(yīng)直埋供熱管道中熱應(yīng)力的水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)壓產(chǎn)生的一次應(yīng)力。因此，直埋供熱管道能否安全運(yùn)行的至關(guān)重要的因素是熱力。因此，直埋供熱管道能否安全運(yùn)行的至關(guān)重要的因素是熱應(yīng)力的大小。應(yīng)力的大小。 二、二、直埋管道的破壞方式直埋管道的破壞方式

57、直埋供熱管道可能出現(xiàn)的破壞方式包括強(qiáng)度破壞和喪失穩(wěn)定性直埋供熱管道可能出現(xiàn)的破壞方式包括強(qiáng)度破壞和喪失穩(wěn)定性兩個方面。兩個方面。 供熱直管段應(yīng)力驗(yàn)算(一)強(qiáng)度破壞1、強(qiáng)度破壞是指無補(bǔ)償管段因管道中各類應(yīng)力的綜合水平超出其允許的當(dāng)量應(yīng)力水平面產(chǎn)生的斷裂或爆裂破壞。引起強(qiáng)度破壞的原因有塑性流動、循環(huán)塑性變形、疲勞破壞等。 塑性流動 塑性流動是指：聽有管段包括彎管在內(nèi)當(dāng)一次應(yīng)力達(dá)到屈服極限s時，管壁會產(chǎn)生塑性應(yīng)變s ，并隨著一次應(yīng)力的持續(xù)作用而增大直到管道斷裂（圖6-2中，從a到b點(diǎn)的應(yīng)力增大是由于發(fā)生變形以后橫截面積變小引起的）。直埋管道中內(nèi)壓產(chǎn)生的一次應(yīng)力所引起的變形具有非自限性。一旦發(fā)生塑性流

58、動，就會導(dǎo)致鋼管的強(qiáng)度破壞。供熱直管段應(yīng)力驗(yàn)算2、循環(huán)塑型變形 循環(huán)塑性變性是指：鋼材交替地發(fā)生拉伸和壓縮的塑性變形，循環(huán)塑性變形引起鋼材的破壞。有于溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力屬于二次應(yīng)力，所引起的應(yīng)變具有自限性。自限性有兩種情況：第一種情況是有限長度管段L，當(dāng)溫度超過一定值以后，被動力達(dá)到上限值 Fl L+P t (Fl L+P tAS106）不再隨溫度的變化而變化。由于管道的內(nèi)力總是等于管段的被動力，所以熱應(yīng)力、熱應(yīng)變也不再隨溫度變化。第二種情況是被動力達(dá)到上限值 Fl L+P t=AS106。但由溫度變化引起的管道熱膨脹具有自限性，即一定溫差下管道的熱伸長是一定值。所以由于管道熱伸長被限制而引

59、起管道的應(yīng)變具有一個上限，等于管道單位長度的熱伸長量。故雖然應(yīng)力等于S，但應(yīng)變不會持續(xù)變大，因而不會導(dǎo)致鋼管塑性流動破壞。 但循環(huán)塑性變形會對管壁晶體結(jié)構(gòu)造成一定程度的損傷。無補(bǔ)償管段在升溫過程中出現(xiàn)壓縮變形，在降溫過程中出現(xiàn)拉伸變形。當(dāng)應(yīng)力變化范圍超過兩倍的屈服極限時，就會產(chǎn)生循環(huán)塑性變形，晶體損傷就會大幅度增加，最終導(dǎo)致管道縮短使用壽命，發(fā)生循環(huán)塑性破壞 3、疲勞破壞4、疲勞破壞是指：管道的局部地方由于應(yīng)力集中引起的局部循環(huán)塑性變形導(dǎo)致的局部破壞。直埋供熱管道的彎頭、折角、變徑及三通等管件處會產(chǎn)生應(yīng)力集中。在溫度和壓力變化過程中，應(yīng)力集中引起的峰值應(yīng)力，將在很小的局部范圍內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)塑性變形

60、。一方面，該區(qū)域是被彈性區(qū)域包圍的，所以不會引起爆裂或斷裂；另一方面，塑性變形對鋼材的損傷作用，使管件經(jīng)歷了一定的運(yùn)行周期后，產(chǎn)生疲勞破壞。疲勞破壞也與應(yīng)力變化有關(guān)，峰值應(yīng)力的變化范圍越大，疲勞破壞所經(jīng)歷的時間就越短，表現(xiàn)為局部開裂、漏水。 供熱直管段應(yīng)力驗(yàn)算四、強(qiáng)度驗(yàn)算及穩(wěn)定性驗(yàn)算（一）采用應(yīng)力分力法的強(qiáng)度驗(yàn)算 采用應(yīng)力分類法的強(qiáng)度驗(yàn)算包括下列三個方面的內(nèi)容。對一次應(yīng)力的極限分析，對一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的安定性分析和對一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力的疲勞分析。1、對一次應(yīng)力的極限分析：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s 。考慮安全系數(shù)，可用基本許用應(yīng)力表示極限分析的強(qiáng)度條件，