直埋供熱管道埋深的研究

摘 要

摘要：利用EXCEL表編制了直埋供熱管道縱向穩定性驗算表，計算了在滿足直埋供熱管道縱向穩定性驗算條件下的管道最小埋深，分析了管道埋深對補償器、彎頭設計選型的影響。關鍵詞：直
摘要：利用EXCEL表編制了直埋供熱管道縱向穩定性驗算表，計算了在滿足直埋供熱管道縱向穩定性驗算條件下的管道最小埋深，分析了管道埋深對補償器、彎頭設計選型的影響。
關鍵詞：直埋供熱管道；管道埋深；補償器；彎頭
Study on Depth of Directly Buried Heat-supply Pipeline
YANG Hai-jiao
Abstract：The checking calculation table for longitudinal stability of directly buried heat-supply pipeline is established by Excel table. The minimum pipeline depth meeting the checking calculation of longitudinal stability of directly buried heat-supply pipeline is calculated. The influence of pipeline depth on lectotype of compensator for thermal expansion and bend is analyzed.
Key words：directly buried heat-supply pipeline；pipeline depth；compensator for thermal expansion bend
    在直埋供熱管道設計中，相對于應力驗算、補償設計計算，人們往往輕視管道埋深的設計計算。但實際上，確定管道埋深是很重要的。本文對直埋供熱管道埋深的確定及其對補償器、彎頭設計選型的影響進行探討。
1 管道埋深的驗算
    管道在受熱狀態下會承受軸向壓應力，管道越長，所受土壤摩擦力越大，承受軸向壓應力越大。在軸向壓應力作用下，管道有向軸向法線方向彎曲的傾向，即管道縱向失穩。由于管道周圍土壤的約束作用，通常情況下，管道會保持穩定狀態。特別是管道上方土壤的存在，抑制了管道產生縱向失穩，土壤間的剪切力也會阻止管道的縱向失穩。理論上管道埋深越大，上方土壤的重量及被破壞時的剪切力也就會越大，管道越不容易失穩。CJJ/T 81—98《城鎮直埋供熱管道工程技術規程》給出了管道縱向穩定性驗算的方法：北歐算法、前蘇聯算法。比較兩種算法可知：前蘇聯算法未考慮管道隆起時土壤被破壞的剪切力，北歐算法中未考慮管道失穩時管道軸向推進受到的土壤摩擦力。經計算比較，為保持管道縱向穩定，北歐算法的埋深計算結果比前蘇聯算法稍大。筆者采用北歐算法，利用EXCEL表編制了縱向穩定性驗算表，用于分析及驗算供熱管道的縱向穩定性。
下面分析對比不同管徑供熱管道對土壤埋深的要求。作用在單位長度管道上的垂直荷載下應符合下式要求：
 
式中F——作用在單位長度管道上的垂直荷載，N/m
    γs——安全系數，取1.1
    Fp,max——管道的最大軸向力，N
    S0——初始撓度，m
    E——鋼材的彈性模量，MPa
    Ip——直管橫截面慣性矩，m4
初始撓度S0的計算式為：
 
當S0＜0.01m時，取0.01m。
F應按下式計算：
 
式中Ww——單位長度管道上方的土層重量，N/m
Wi——單位長度預制保溫管白重(包括介質在內)，N/m
    Fs——單位長度管道上方土體剪切力，N/m
    ρ——土壤密度，kg/m3
    g——重力加速度，m/s2
h——管道管頂埋深，m
    Dc——預制保溫管的外徑，m
K0——土壤靜壓力系數
φ——土壤的內摩擦角，rad
EXCEL表的主要輸入條件為：運行溫度為130℃，安裝溫度為0℃，鋼管壁厚(單位為m)，ρ=1800kg/m3，E=2×105MPa，安全系數為1.1，Dc，φ=π/6rad，g=9.8m/s2。對于規格為DN 50～800mm的管道，EXCEL表的最小管頂埋深計算結果見表1。由表1可知，管徑越小，管道越容易失穩，所需埋深越深；管徑越大，管道越不容易失穩，所需埋深越小。在實際設計時，當縱向穩定性不滿足要求時，我們應采取的措施有：①增大管道埋深。②當有地下障礙，埋深得不到滿足時，可以在管道上方加混凝土墩等重物，增加管道穩定性。③管網中增設補償器，使管道的熱應力得到充分釋放。④對管道進行預熱處理，這樣管道在受熱后，產生的熱應力會降低，進而減小軸向壓應力，使管道處于穩定狀態。
表1 EXCEL表的最小管頂埋深計算結果
公稱直徑/mm
50
100
200
300
400
500
600
800
最小管頂埋深/m
1.20
0.95
0.90
0.75
0.60
0.40
0.35
0.20
2 管道埋深對補償器及彎頭選型的影響
   管道的補償方式可分為補償器補償、利用彎頭自然補償。在土壤摩擦力作用下，管道的熱伸長受到抑制。離補償器近的管段，受到的摩擦力較小，熱伸長時受到的抑制作用也就較小；離補償器遠的管段，受到的摩擦力大，熱伸長時受到的抑制作用也就較大。當土壤摩擦力增大到一定程度，即摩擦力等于管道熱脹力時，管道的熱伸長剛好被抑制，管道不能伸長。這就引入了過渡段、錨固段的概念。離補償器較近，發生熱伸長的管段，稱為過渡段；離補償器較遠，不能發生熱伸長的管段，稱為錨固段。
    很顯然，過渡段越長，管道的熱伸長量越大，要求補償器的補償量越大；若采用彎頭自然補償，要求彎頭的曲率半徑越大。過渡段越短，管道的熱伸長量越小，要求補償器的補償量越小；若采用彎頭自然補償，要求彎頭的曲率半徑越小。
    因此，當管道很長時，補償器的補償量、彎頭的曲率半徑取決于最大過渡段長度。而決定管道最大過渡段長度的因素，除運行溫度外，就是管道的埋深。管道埋深越大，受到的摩擦力越大，過渡段長度越短，若采用彎頭自然補償，要求彎頭的曲率半徑越小；管道埋深越小，受到的摩擦力越小，過渡段長度越大，若采用彎頭自然補償，要求彎頭的曲率半徑越大。
    以公稱直徑為400mm、運行溫度為130℃、彎頭角度為55°的管段為例進行計算。主要計算式為CJJ/T 81—98《城鎮直埋供熱管道工程技術規程》中的式(4.1.4)、(4.3.1-1)、(4.3.1-2)、(4.3.2-1)、(4.4.2-2)、(4.4.4-1)、(4.3.5-1)、(C.1.2-2)、(C.1.3-5)、(C.1.3-6)、(C.1.3-7)等。利用EXCEL表，選取埋深為0.3～1.5m，對該管段的補償器伸長量及彎頭曲率半徑進行計算。EXCEL表的主要輸入條件為：鋼管外徑0.429m，運行溫度為130℃，安裝溫度為0℃，鋼管壁厚為0.007m，ρ=1800kg/m3，E=2×105MPa，Dc=0.56m，鋼材線脹系數為1.26 ×10-5K-1，g=9.8m/s2。EXCEL表的補償器伸長量、彎頭曲率半徑計算結果見表2。應注意的是，補償器、彎頭選型一旦確定，管道就不能隨意抬高，若受現場限制，不得不抬高時，必須重新計算過渡段長度，驗算最初選定的補償器、彎頭是否滿足抬高后管道的熱伸長要求。
表2 EXCEL表的補償器伸長量、彎頭曲率半徑計算結果
埋深
0.3
0.4
0.5
0.6
0.8
1.0
1.2
1.5
補償器伸長量
0.541
0.462
0.402
0.357
0.290
0.245
0.212
0.175
彎頭曲率半徑
8.3
7.5
7.0
6.4
6.0
5.0
4.2
4.O
3 標準的相關規定
    管道埋深除考慮以上因素外，還應符合CJJ/T 81—98《城鎮直埋供熱管道工程技術規程》的相關規定。該標準第3.1.2條規定：直埋供熱管道最小覆土深度應符合表3.1.2的規定，同時尚應進行穩定驗算。表3.1.2的內容見表3。
表3 CJJ/T 81—98表3.1.2的內容
公稱直徑/mm
50～125
150～200
250～300
350～400
450～500
車行道下管頂埋深/m
0.8
1.0
1.0
1.2
1.2
非車行道下管頂埋深/m
0.6
0.6
0.7
0.8
0.9
    另外，管道埋深還應考慮供熱管道的熱損失，尤其對于寒冷地區。以DN 400mm、40mm厚聚氨酯預制保溫管為例，運行溫度為130℃，室外溫度為-20℃，計算在不同埋深下的管道熱損失。EXCEL表的管道熱損失計算結果見表4。由表4可知，當管中心埋深為0.8m時，管道單位面積熱損失為91W/m2。為控制管道熱損失，應保證合理的管道埋深，或者增加管道保溫層的厚度。
表4 EXCEL表的管道熱損失計算結果
管中心埋深m
0.8
1.0
1.2
1.5
2.0
管道熱損失/(W·m-2)
91.0
89.0
85.7
81.2
74.0
4 結論
    在直埋供熱管道設計中，確定管道埋深非常重要，它涉及熱網的安全性、經濟性、運行的穩定性等，不得隨意更改。若受現場限制不得不改變時，應對各影響因素進行分析校核，確定最佳解決方案。
 
(本文作者：楊海礁 唐山市熱力工程設計院 河北唐山 063000)