熱力管道無補(bǔ)償直埋敷設(shè)可行性

1、熱力管道無補(bǔ)償直埋敷設(shè)的可行性2008-07-25 10:06 來源：1引言集中供熱系統(tǒng)的供熱管網(wǎng)是由將熱媒從熱源輸送和分配到各熱用戶的管線所組成。在供熱管線敷設(shè)的多種形式中，無溝直埋敷設(shè)因其不影響市容和交通，而又便于施工和節(jié)省投資費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，成為目前城鎮(zhèn)和小區(qū)廣泛采用的一種敷設(shè)方式。眾所周知，管道被熱媒加熱會(huì)伸長，如果不加以有效補(bǔ)償，會(huì)使管道承受的應(yīng)力增加， 達(dá)到一定程度，發(fā)生破裂現(xiàn)象。根據(jù)管道材料承載應(yīng)力的能力及土壤與管道保護(hù)外殼之間的摩擦力對管道所產(chǎn)生的約束，在此，探討一下無補(bǔ)償直埋敷設(shè)的可行性2管道在嵌固條件下的應(yīng)力分析2.1應(yīng)力分析直埋敷設(shè)管道被嵌固時(shí)，管道的熱伸長完全受阻，管壁應(yīng)力

2、增加，管壁單元體上作用著由內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力（TI軸向壓應(yīng)力（TX和徑向應(yīng)力（7怪|其值很小，一般忽略不計(jì) ）,如圖1所示。按照彈性分析法對管道在嵌固條件下進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算:取L長一段管道，分別沿橫截面和徑向縱截面截開，如圖2所示。圖2管道鼓面與應(yīng)力猛熊臂Jk K而栽面 邛向嫁曲的根據(jù)力的平衡原理：TTf P“( yL I - I Pl- 仆 f d /y 0一尸&件”Ftb式中P-管道內(nèi)壓力,MPa;t-管道壁厚，mm ;Dn-管道內(nèi)徑，mm ;Dw-管道外徑,mm ;0-內(nèi)力與環(huán)向拉應(yīng)力的夾角。i2i管道在環(huán)向應(yīng)力作用下，在單元體中，伴隨出現(xiàn)軸向泊松拉應(yīng)力，使在熱脹狀態(tài)下，單元體不發(fā)生形變:

3、式中 k材料的泊松系數(shù)，對鋼材 科=0.3 。由于溫升而引起的軸向熱脹壓應(yīng)力按下公式計(jì)算:式中a-鋼材的線膨脹系數(shù)，m/mC ;E-鋼材的彈性模量,MPa ;t1-供熱管道最高溫度C ;t2-供熱管道安裝溫度Co則總軸向應(yīng)力（TX為:r = tr “ * 二財(cái)r -。Y ）14）在向壓應(yīng)其最大值為I =由P.故獷，可略去不計(jì)所以，根據(jù)材料力學(xué)的第四強(qiáng)度理論，則有:-A/ rr * + /T * - /r a 利用試算方法.進(jìn)行應(yīng)用撿算收產(chǎn) 4Kt:,則巴二 7 12X75MPha 11 = l214MPn 1243 11i所以能滿足管道應(yīng)力要求，不會(huì)造成管道破壞。通過以上分析可知，當(dāng)管道的最高

4、溫度與安裝溫度之差（t1-t2）值小于由管材的應(yīng)力條件所限制最高允許溫差 Atmax值，則管道材料就不會(huì)進(jìn)入塑性狀態(tài)，可采用無補(bǔ)償直埋敷設(shè)方3 土壤對管道的約束力分析在通常埋設(shè)深度（管頂覆土在1.5m以內(nèi)）條件下，假設(shè)土壤作用在管道的垂直壓力與側(cè)壓 力相同，單位長度摩擦力可按下式計(jì)算：式中Pf每米長土壤與保護(hù)外殼之間的摩擦力，N/m;P 一管道周圍土壤密度，kg/m3;g 重力加速度，m/s2 ;H 管頂埋深，m；Dy 一保護(hù)外殼的直徑，m ;M一土壤與保護(hù)外殼之間的摩擦系數(shù)。土壤與保護(hù)外殼之間的摩擦系數(shù)w值的大小，取決于保護(hù)外殼的材質(zhì)、周圍土壤或回填砂型以及填土的密實(shí)程度等諸多因素。需要指出

5、：在土壤未將管道完全嵌固條件下，w值在供熱管道運(yùn)行過程中，會(huì)在較大范圍內(nèi)變化。開始運(yùn)行時(shí)，科值為最大wmax ,隨著管道熱脹冷縮而往復(fù)移動(dòng)，科值逐漸減小，并趨于穩(wěn)定，最終達(dá)到最小值pm仇直埋敷設(shè)供熱管道多采用聚氨酯為保溫材料，高密度聚乙烯為保護(hù)外殼，四周填砂時(shí)，摩擦系數(shù)科值范圍為 0.2 0.6。圖3管道在土填中受力分析4無補(bǔ)償直埋管線在土壤中的受力情況分析以圖3所示的管線為例，在離自由端 。點(diǎn)L遠(yuǎn)處，土壤與管道外殼產(chǎn)生的總摩擦力，可 按下式計(jì)算：前曾述及，管道在完全嵌固條件下，由溫升和內(nèi)壓引起總軸向應(yīng)力為(TX,如果Pm值小于軸向壓應(yīng)力 門值，管道不能完全嵌固，管道向自由端伸長，熱脹力得以釋

6、放，從而使土壤對管道產(chǎn)生軸向水平推力Pzh 。曾為某一長度L時(shí),P = 丁 F,即P二 mmtm illt “E A r-, 時(shí).以后的管段完全嵌固,凡任 截而It的最軸向力為N （E f- m 療）F ftMi1根據(jù)俾件分析法的基本原理.41不得超過3公,，一 不得超過其極限值（HE A /mrJ幾5無補(bǔ)償直埋敷設(shè)在工程上的應(yīng)用方法當(dāng)管道的最高溫度與安裝溫度之差 （t1-t2） A tmOX,可以采用無補(bǔ)償直埋敷設(shè)方式 ；而當(dāng) （t1-t2）高于Atmax時(shí)，可以通過采用預(yù)應(yīng)力的方法， 實(shí)現(xiàn)無補(bǔ)償直埋敷設(shè)。 預(yù)應(yīng)力法有兩種 方式：在管線上設(shè)置 .次性補(bǔ)償器”和分段預(yù)熱。a）*次性補(bǔ)償器”法，

7、是在直線管段上設(shè)置一種特殊的補(bǔ)償器（一次性補(bǔ)償器）。它的結(jié)構(gòu)與波紋管補(bǔ)償器相似，只是在波紋管補(bǔ)償器外面增加了一個(gè)隨其一起活動(dòng)的鋼外套。在供熱管道開始運(yùn)行時(shí)，先將管線預(yù)熱到某一溫度tr,使管道的最高溫度與預(yù)熱溫度之差（t1-tr） WAtmaXo在達(dá)到預(yù)熱溫度 tr時(shí)，將一次性補(bǔ)償器的鋼外套與管道四周焊牢。當(dāng) 管道降溫后，管道不能收縮，而產(chǎn)生一個(gè)拉應(yīng)力。只要在運(yùn)行期間，保證預(yù)熱溫度與管線的最低溫度之差（tr- tmin）w Atmax，管線就不會(huì)出現(xiàn)拉伸屈服狀態(tài) ；而當(dāng)管道升溫到最高溫度 t1 時(shí)，也不會(huì)出現(xiàn)壓縮屈服狀態(tài)。由于該補(bǔ)償器只在預(yù)熱安裝時(shí)一次性起作用，故稱.次性補(bǔ)償器”法。管道在整個(gè)運(yùn)

8、行期間，無需進(jìn)行補(bǔ)償，即能滿足要求。b）分段預(yù)熱法的原理與上述相同，采用將管線分段預(yù)熱。將一段管道預(yù)熱至預(yù)熱溫度tr,管段充分伸長后，與后面未預(yù)熱管段焊接在一起。按此方法，將整個(gè)管線預(yù)熱并焊接起來。這樣，在管線降溫后，也殘留一個(gè)預(yù)拉應(yīng)力。在保證 （t1-tr） WAtmax（tr-tmin） w A tmaX勺情況 下，在運(yùn)行期間，不需要補(bǔ)償，管道不會(huì)因?yàn)闊崦浝淇s產(chǎn)生應(yīng)力而破壞。6結(jié)語管道的最高溫度與安裝溫度之差 （t1-t2）值小于由管材的應(yīng)力條件所限制最高允許溫差A(yù) tmax值，可采用無補(bǔ)償直埋敷設(shè)方式；對于管道的最高溫度與安裝溫度之差（t1-t2） 2 A tmax的情況可用預(yù)應(yīng)力法來實(shí)現(xiàn)無補(bǔ)償直埋敷設(shè)：分段預(yù)熱法需現(xiàn)場沿管線分段預(yù)熱，根據(jù)國內(nèi)目前的施工條件，實(shí)現(xiàn)較為困難；采用一次性補(bǔ)償器的方法，雖然可行，但相應(yīng)增加了管網(wǎng)的投資費(fèi)用。故在此，只作為介紹，供設(shè)計(jì)參考。隨著施工條件的改善和技術(shù)的發(fā)