直埋热水管道设计理论研究

直埋热水管道设计理论研究

董磊

山东天润热电设计院有限公司山东省济南市250022

摘要：针对近年来直埋热水管道施工中的设立理论基础，对使用的应力分析、计算方法、实验研究内容进行了探讨，指出了在直埋热水管道施工中存在的问题，针对问题提出了一些优化措施。

关键词：直埋热水管道；设计理论

一、应力分析理论

在当前的直埋热水管道的施工之中使用的管道管径逐渐扩大，直埋方式尽管在施工和使用过程之中存在一些问题，但其已经成为供热管道的主要施工方式，使用频率较高。在直埋管道的设计过程之中首先要进行对管道的受力分析。在工程发展的过程中使用的分析方法主要是弹性分析法和应力分析法。弹性分析法是以管道是否会在铺设之中出现塑性形变为标准进行分析，管道一旦出现塑性形变即可认为管道的结构受到破坏，这种分析方法在分析和设计过程之中没有正确反应管道钢材的塑性变形恢复能力，没有在管线铺设的过程之中考虑钢筋的弹性特性。传统的管线铺设工程的设计之中，弹性分析法由于未考虑钢筋特性，会得出在较低的温度之下管道就会出现损坏，需要在工程之中采用有补偿的冷安装方式，造成了工程花费较多。

应力分类分析方法是当前使用较多的一种分析方法，这种分析方法在管线的受力分析过程之中将管线的塑性形变能力纳入了受力分析过程之中，一定的塑性变形能力可以提升管线的耐热能力。应力分析方法将管线使用过程之中的应力分为一次应力、二次应力和峰值应力。一次应力是非自限性，其力的大小会随着外部荷载的增大而增大，当超过管道的承受极限时就会引起管线的损坏。二次应力的特征是具有自限性，其变化一般不与外力发生关联，当管道局部发生少量变形之后就可以降低管道的应力。峰值应力指的是管道的连接处或是结构的不连续处由于外界应力的影响造成的应力增量，其在实际分析的过程之中不会引起管道的变形，但是长期作用会造成管道由于材料疲劳而出现裂缝或是脆性破坏。目前在应力分析过程之中，一般使用弹性分析法分析一次应力，使用安定性分析法分析二次应力，对峰值应力使用疲劳分析法进行分析。

应力分析过程之中技术人员使用ANSYS系统来对管线受力进行分析。整个研究过程可以分为前处理、加载处理以及后处理三个部分，前处理主要的工作内容是建立直埋管道的受力模型，后处理主要完成对受力计算结果的分析，以便于得出其传力机理。在管道的受力有限元分析之中，对管道系统中的弯头、三通、变径管处进行建模是相当重要的，一般在建模过程中，设计人员需要考虑管道模型单元类型的选择，对材料的参数进行设置，模型的剪力准确度越高，那么相应的计算结果和传力机理就更为准确。有限元管道模型一般是对管道的变径管处应力进行分析，以便于约束混凝土边界上节点的自由度。之后通过计算可以得到管道使用中的内力，将该内力施加到管道结构的边界上。一般在模型受力等非线性问题的求解过程之中使用的方法包括增量法和迭代法。增量法的计算过程由于每一步都需要进行结构刚度矩阵的重新计算，计算所需要的时间较长。且该方法使用了分段线性化的计算方法，每级荷载的差值积累会使得最终的计算结果出现较大的误差。而迭代法的计算和使用较为简单，使用中最主要的缺陷是计算无法反应线性求解过程是否收敛。

二、管道建设之中需要解决的问题

当前普遍使用的弹性抗弯铰解析法毕竟有局限性，而有限元方法还没有得到广泛地应用，以至于在计算中，还有一些管件（三通、变径管等）无法进行应力分析。使用有限元方法对这些管件进行应力分析，可为这些管件的设计及加工提供依据。加强对直埋热水管道的跟踪监测。直埋热水管道在我国的使用有近30年的历史了，但对于这些管道长期使用后的情况缺少跟踪评价，对于直埋热水管道的发展缺少评价数据。直埋热水管道的漏点监测及保温管炭化处的非开挖修复技术，漏点监测一直是直埋热水管道的难题，对于大范围的管道来说，还没有太好的办法对其使用过程进行检测。对于炭化的预制保温管，如果只开挖一部分，通过往PE壳内注浆便可修复炭化部分，对于直埋保温管的使用将很有益处。

三、设计改善措施

大管径管道直埋设计时锚固段应尽量避免结构的不连续性，对于由安装造成的总体结构不连续管道，只要将壁厚偏差控制在10%以内，仍可认为管道安定。在设计中如果锚固段存在较多的阀门、分支、变径等情况，可对局部峰值应力进行验算，发现问题可通过增加管道壁厚或采用预热安装等方式降低管道轴向应力，这样可使局部峰值应力降低，锚固段局部屈曲的危险也大幅降低。采用电预热安装的造价远小于增加壁厚的设计方法，因此从热网经济和安全的角度出发，直埋热水供热管道不建议采用增加壁厚的方式降低局部屈曲的危险，而应采取预热安装方式。由于大管径管道在埋设较深时单位长度管道摩擦力较大，因此需验算预制直埋保温管外壳与保温层粘结的牢固程度以及保温层与内钢管粘结的牢固程度是否能保证传递轴向剪切力。大管径热水供热管道直埋设计时应避免出现锚固段结构不连续性。对于由安装造成的总体结构不连续管道，只要将钢管管壁偏差控制在10%以内，仍可认为管道安定。

在管道系统的设计和建设之中需要解决的一个问题是管道由于温度变化引起的疲劳破坏现象。疲劳破坏现象指的是管道的供热过程之中由于应力变化过快造成管道的强度下降现象。一般来说，管道之中应力变化小于管道的疲劳极限造成的破坏被叫做高循环疲劳，这种应变破坏现象一般发生在管道的弯折段和连接段，因此，在实际的施工过程之中工程人员需要对管线的结构薄弱点的使用寿命进行预先的估算，根据估算结果进行管线使用过程的控制。技术人员可以根据管线的实际使用温度，计算管线使用过程之中受到的应力变化范围，并根据计算结果估计使用时间，以便于及时的维护和检修。

为了防止在热水管道的铺设过程之中出现意外事故，对于直埋热水管道的漏点检测和非开挖修复技术的研究和发展是非常重要的。漏点检测一直是直埋热水管道设计和施工中的难点，部分生产厂家和施工企业试图通过在直埋管道内部设置报警装置来进行检验，但实际效果并不明显，漏点故障依旧在热水管道的使用过程之中出现。为了提升检测的准确性和使用效果，部分技术人员开始进行直埋管道热水网络的联网监控系统的研究，在小范围的热水网络的监控之中可以发挥较好的效果。为了提升大范围管道的检测工作的效果，技术人员可以在实际的管道使用过程之中进行长期的跟踪检测，通过对日常使用信息的分析可以提升对潜在故障和漏点的发现能力。

四、结语

在大管径热水供热管道直埋设计中如果锚固段存在较多的阀门、分支、变径等，可通过增加壁厚和采用预热安装等方式整体降低管道轴向应力，降低锚固段局部屈曲的危险。采用电预热安装方式降低管道轴向应力更为经济、合理。

参考文献

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[3]王飞，张建伟．大口径预制直埋供热管道摩擦系数的实验研究［J］．建筑热能通风空调，2006，25（6）：71－75．