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(wěn)定性驗(yàn)算表，計(jì)算了在滿足直埋供熱管道縱向穩(wěn)定性驗(yàn)算條件下的管道最小埋深，分析了管道埋深對補(bǔ)償器、彎頭設(shè)計(jì)選型的影響。關(guān)鍵詞：直
摘要：利用EXCEL表編制了直埋供熱管道縱向穩(wěn)定性驗(yàn)算表，計(jì)算了在滿足直埋供熱管道縱向穩(wěn)定性驗(yàn)算條件下的管道最小埋深，分析了管道埋深對補(bǔ)償器、彎頭設(shè)計(jì)選型的影響。
關(guān)鍵詞：直埋供熱管道；管道埋深；補(bǔ)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(shè)計(jì)中，相對于應(yīng)力驗(yàn)算、補(bǔ)償設(shè)計(jì)計(jì)算，人們往往輕視管道埋深的設(shè)計(jì)計(jì)算。但實(shí)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(bǔ)償器、彎頭設(shè)計(jì)選型的影響進(jìn)行探討。
1 管道埋深的驗(yàn)算
    管道在受熱狀態(tài)下會承受軸向壓應(yīng)力，管道越長，所受土壤摩擦力越大，承受軸向壓應(yīng)力越大。在軸向壓應(yīng)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(wěn)。由于管道周圍土壤的約束作用，通常情況下，管道會保持穩(wěn)定狀態(tài)。特別是管道上方土壤的存在，抑制了管道產(chǎn)生縱向失穩(wěn)，土壤間的剪切力也會阻止管道的縱向失穩(wěn)。理論上管道埋深越大，上方土壤的重量及被破壞時(shí)的剪切力也就會越大，管道越不容易失穩(wěn)。CJJ/T 81—98《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》給出了管道縱向穩(wěn)定性驗(yàn)算的方法：北歐算法、前蘇聯(lián)算法。比較兩種算法可知：前蘇聯(lián)算法未考慮管道隆起時(shí)土壤被破壞的剪切力，北歐算法中未考慮管道失穩(wěn)時(shí)管道軸向推進(jìn)受到的土壤摩擦力。經(jīng)計(jì)算比較，為保持管道縱向穩(wěn)定，北歐算法的埋深計(jì)算結(jié)果比前蘇聯(lián)算法稍大。筆者采用北歐算法，利用EXCEL表編制了縱向穩(wěn)定性驗(yàn)算表，用于分析及驗(yàn)算供熱管道的縱向穩(wěn)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(yīng)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(shù)，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(jì)算式為：
 
當(dāng)S0＜0.01m時(shí)，取0.01m。
F應(yīng)按下式計(jì)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(yù)制保溫管白重(包括介質(zhì)在內(nèi))，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(yù)制保溫管的外徑，m
K0——土壤靜壓力系數(shù)
φ——土壤的內(nèi)摩擦角，rad
EXCEL表的主要輸入條件為：運(yùn)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(shù)為1.1，Dc，φ=π/6rad，g=9.8m/s2。對于規(guī)格為DN 50～800mm的管道，EXCEL表的最小管頂埋深計(jì)算結(jié)果見表1。由表1可知，管徑越小，管道越容易失穩(wěn)，所需埋深越深；管徑越大，管道越不容易失穩(wěn)，所需埋深越小。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)縱向穩(wěn)定性不滿足要求時(shí)，我們應(yīng)采取的措施有：①增大管道埋深。②當(dāng)有地下障礙，埋深得不到滿足時(shí)，可以在管道上方加混凝土墩等重物，增加管道穩(wěn)定性。③管網(wǎng)中增設(shè)補(bǔ)償器，使管道的熱應(yīng)力得到充分釋放。④對管道進(jìn)行預(yù)熱處理，這樣管道在受熱后，產(chǎn)生的熱應(yīng)力會降低，進(jìn)而減小軸向壓應(yīng)力，使管道處于穩(wěn)定狀態(tài)。
表1 EXCEL表的最小管頂埋深計(jì)算結(jié)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(bǔ)償器及彎頭選型的影響
   管道的補(bǔ)償方式可分為補(bǔ)償器補(bǔ)償、利用彎頭自然補(bǔ)償。在土壤摩擦力作用下，管道的熱伸長受到抑制。離補(bǔ)償器近的管段，受到的摩擦力較小，熱伸長時(shí)受到的抑制作用也就較??；離補(bǔ)償器遠(yuǎn)的管段，受到的摩擦力大，熱伸長時(shí)受到的抑制作用也就較大。當(dāng)土壤摩擦力增大到一定程度，即摩擦力等于管道熱脹力時(shí)，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(bǔ)償器較近，發(fā)生熱伸長的管段，稱為過渡段；離補(bǔ)償器較遠(yuǎn)，不能發(fā)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(bǔ)償器的補(bǔ)償量越大；若采用彎頭自然補(bǔ)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(bǔ)償器的補(bǔ)償量越?。蝗舨捎脧濐^自然補(bǔ)償，要求彎頭的曲率半徑越小。
    因此，當(dāng)管道很長時(shí)，補(bǔ)償器的補(bǔ)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(yùn)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(bǔ)償，要求彎頭的曲率半徑越?。还艿缆裆钤叫?，受到的摩擦力越小，過渡段長度越大，若采用彎頭自然補(bǔ)償，要求彎頭的曲率半徑越大。
    以公稱直徑為400mm、運(yùn)行溫度為130℃、彎頭角度為55°的管段為例進(jìn)行計(jì)算。主要計(jì)算式為CJJ/T 81—98《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)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(bǔ)償器伸長量及彎頭曲率半徑進(jìn)行計(jì)算。EXCEL表的主要輸入條件為：鋼管外徑0.429m，運(yùn)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(shù)為1.26 ×10-5K-1，g=9.8m/s2。EXCEL表的補(bǔ)償器伸長量、彎頭曲率半徑計(jì)算結(jié)果見表2。應(yīng)注意的是，補(bǔ)償器、彎頭選型一旦確定，管道就不能隨意抬高，若受現(xiàn)場限制，不得不抬高時(shí)，必須重新計(jì)算過渡段長度，驗(yàn)算最初選定的補(bǔ)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(bǔ)償器伸長量、彎頭曲率半徑計(jì)算結(jié)果
埋深
0.3
0.4
0.5
0.6
0.8
1.0
1.2
1.5
補(bǔ)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(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定
    管道埋深除考慮以上因素外，還應(yīng)符合CJJ/T 81—98《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)第3.1.2條規(guī)定：直埋供熱管道最小覆土深度應(yīng)符合表3.1.2的規(guī)定，同時(shí)尚應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算。表3.1.2的內(nèi)容見表3。
表3 CJJ/T 81—98表3.1.2的內(nèi)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(yīng)考慮供熱管道的熱損失，尤其對于寒冷地區(qū)。以DN 400mm、40mm厚聚氨酯預(yù)制保溫管為例，運(yùn)行溫度為130℃，室外溫度為-20℃，計(jì)算在不同埋深下的管道熱損失。EXCEL表的管道熱損失計(jì)算結(jié)果見表4。由表4可知，當(dāng)管中心埋深為0.8m時(shí)，管道單位面積熱損失為91W/m2。為控制管道熱損失，應(yīng)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(jì)算結(jié)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(jié)論
    在直埋供熱管道設(shè)計(jì)中，確定管道埋深非常重要，它涉及熱網(wǎng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行的穩(wěn)定性等，不得隨意更改。若受現(xiàn)場限制不得不改變時(shí)，應(yīng)對各影響因素進(jìn)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(shè)計(jì)院 河北唐山 063000)