直埋敷设热力管道强度设计理论及方法
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【摘要】描述了直埋敷设热力管道上的作用以及相应的变形，将作用产生的应力分为一次应力、二次应力和峰值应力，提出了直埋敷设热力管道强度设计的应力分类法。分析了直埋敷设热力管道的破坏方式，直管的破坏方式包括循环塑性变形的整体失稳，而疲劳破坏是管件的主要破坏方式，针对不同的破坏方式，讨论了强度设计方法。
【关键词】集中供热；直埋管道；强度设计；应力；应力分类法；失效方式
近年来，直埋管道以其节约投资、占地少、施工周期短、热损失小、使用寿命长和维修小等优点，在城市集中供热管网上大量使用。但由于管道直埋于土壤中，受周围土壤的约束，使直埋管道的温度应力远远大于地沟或架空敷设的管道，故直埋管网设计应采用不同的设计方法。
1 应力分类法
1.1 钢材的塑性变形与破坏
钢材属于塑性良好材料，从其拉伸实验可以看出：钢材从屈服到断裂的塑性变形量比屈服极限对应的最大弹性变形量大10-15倍以上，故产生塑性变形并不意味钢材破坏。
钢材的塑性变形可分为有限和无限两种。只有无限塑性变形，才会导致钢材的塑性流动而产生破坏；而大小与最大弹性变形相当的有限塑性变形是不会产生破坏的。
实际上，人们在生产和生活中，还常常利用这种有限塑性变形。从机械加工中的汽车车体，到居室中的荧光灯罩，甚至本文讨论的钢管，无不都是通过塑料变形而制造成的。
1.2 作用（荷载）
所有使管道产生内力和变形的因素都称为作用（又称荷载）。当钢材屈服时，不同类型的作用，使管道产生不同类型的塑性变形，进一步可能导致不同方式的破坏。
根据所产生塑性变形的类型，作用可分为不同的两类：
力作用是给定的力，而与管道变形无关，如管道自重和介质压力。
位移作用可以是给定的位移或变形，如热胀变形或管道沉降，也可以是与位移或变形有关的力，如土壤的轴向摩擦力和侧向压缩反力。
1.3 应力分类法
力作用产生的应力称为一次应力，它取决于静力平衡条件。如果一次应力超过了极限状态，管道会发生无限的塑性流动，立即导致爆裂或断裂。因此，应控制一次应力，使之处于不产生塑性流动，为此应对一次应力进行极限分析。
位移作用产生的应力称为二次应力（直埋管道中主要是温度产生的温度应力），它取决于变形协调条件。如果二次应力超过了极限状态，管道只会产生有限的塑性变形。但由于塑性变形对钢管内部结构的损伤，随着时间推移，循环往复的塑性变形也会使管道发生破坏。因此，应控制二次应力，使之不产生循环往复塑性变形，为此应对二次应力进行安定性分析。
另外，在管道局部结构不连续处会产生应力集中，对应的应力称为峰值应力。由于应力集中的区域有限，而受到周围弹性区域的约束，峰值应力超过了极限状态也不会导致塑性流动。但循环变化的峰值应力，也会造成钢管内部结构的损伤，导致管道疲劳破坏。弯头、三通和折角等处的应力属于峰值应力。应根据允许的疲劳次数，控制峰值应力的大小，即对峰值应力进行疲劳分析。
2 设计方法
2.1 直埋管道作用特点及破坏方式
由于土壤的均匀支撑，使管道自重可忽略不计。而由于热网管道的公称壁厚远远大于介质压力所需的设计壁厚，也使内压应力远远小于管材的屈服应力。因此，在直埋管道中，自重和内压等力作用的影响相对较小。
另一方面，由于土壤的约束，直管段的热胀变形不能自由释放，在温度变化时形成的温度应力可能产生循环塑性变形，在运行温度下形成的升温轴向压力可能引起失稳，而直管段的热胀变形，向三通、弯头和折角等薄弱部件的转移还会导致疲劳破坏，向阀门的转移还会导致阀门破坏。因此。在直埋管道中，温度对管道强度的影响较大。
对于管径不大于DN500的直埋热网，一般存在下面几种破坏方式：
2.1.1 直管段的循环塑性破坏和整体失稳破坏；
2.1.2 三通、弯头、折角和大小头以及阀门等薄弱部件产生的破坏。
强度设计就是采用适当的设计方法，防止上述破坏发生，保证管道安全经济地运行。
2.2 直管的设计方法
2.2.1 防止循环塑性破坏的设计方法
管道温度在工作循环最高温度与最低温度间变化时所产生的应力变化是循环塑性破坏的起因。由于应力变化与安装温度无关，故预应力安装不解决冷安装循环塑性破坏的问题。
当锚固状态的直管段满足安定性条件时。允许无补偿管段存在，这当然包括冷安装无补偿管段。否则，只能在该直管段中按一定间距设置补偿装置，使管道变成有补偿管段。
2.2.2 防止整体失稳破坏的设计方法
管道温度从安装温度升高到管道工作循环最高温度时所产生的升温轴向压力是整体失稳破坏的起因。
在冷安装条件下，当锚固状态的直管段满足稳定性条件时，将允许冷安装无补偿管段存在。否则，应采取下列措施：
（1）增加覆土深度，增大阻止失稳的反力；
（2）采用预应力安装方式（预热或设置一次性补偿器），降低热胀变形的大小；
（3）设置补偿装置，释放吸收热胀变形。
2.2.3 直管设计一般规律
一般地讲，运行温度不高于130℃、埋深在1m以下、管径不大于DN500的热网，从直管强度的角度，冷安装无补偿管段在强度上是没有问题的。但是，从保护薄弱部件以及减小固定墩推力的角度，往往还要在局部管段设置补偿装置。
至于预应力安装方式，由于只能解决稳定性的问题，而通过增加覆土深度或设置补偿装置解决稳定性问题，通常会更经济一些，故预应力安装方式的使用变得越来越少。
2.2 防止薄弱部件破坏的设计方法
薄弱部件的应力取决于两个方面，其一该部件本身结构是否容易产生应力集中，其二所连直管的热胀变形转移。因此，可以从下面三个方面避免破坏产生。
2.2.1 薄弱部件的结构尺寸设计
从管道部件本身角度讲，采用应力集中程度小的结构，以降低峰值应力：
（1）使用增加壁厚或采用加强板的三通；
（2）采用大弯曲半径或壁厚增加的弯头；
（3）用大弯曲半径的曲管或多个应力集中程度小的小折角代替一个大折角；
（4）用U型弯管代替15°-17°的折角或弯头；
（5）用多个逐级变化的大小头代替一个管径变化较大的大小头；
（6）使用强度特性好的钢制焊接阀门等。
2.2.2 设置固定墩的方法
从管道布置上，可通过设置固定墩，来阻止热胀变形向应力集中的部件转移；
（1）在弯管的弯臂上设置固定墩；
（2）在三通的支管上设置固定墩；
（3）在折角、大小头、阀门及三通主管附近的直管上设置固定墩，限制直管的热胀变形向这些部件的转移等。
2.2.3 局部的有补偿方法
从管道布置上，也可通过设置补偿装置，来吸收热胀变形向应力集中的部件转移。补偿装置可以是波纹管补偿器，也可是利用管线的走向形成弯管补偿器：
（1）在弯管的弯臂上设置补偿装置；
（2）在三通的支管上设置补偿装置；
（3）在折角、大小头、阀门及三通主管附近的直管上设置补偿装置等。
3 结语
直埋管网的设计属于系统工程，在管网中存在着多种失效方式，而且各种失效方式的起因是不同的，产生的部位也是不同的，在设计中仅仅对直管的温度应力进行安定性分析是远远不够的，用适用于直管的无补偿安装方式去否定管件设计所需的有补偿安装方式更是片面的。本文在讨论应力分类法的基础上，提出了针对不同部件上不同应力的设计方法，并将有补偿安装和无补偿安装方式有机地结合在一起，从系统的角度保证了所有部件都处于安全状态。
作者简介：
刘岭（1968-）男，山东微山人，山东鲁泰煤业有限公司太平煤矿，工程师，大学文化，研究方向：建筑施工管理。
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