直埋供熱管道技術(shù)的應(yīng)用
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楊雨露 發(fā)布時(shí)間：2011-04-18 17:23:55
近年來隨著供熱管網(wǎng)的規(guī)模越來越大，大口徑的直埋供熱應(yīng)用趨于普遍，在彈性有補(bǔ)償設(shè)計(jì)理論下，大口徑直埋供熱管道的補(bǔ)償段越做越?。ㄐ〉?0m左右），固定墩體積是越來越大，管道安裝施工難度加大，管道安裝施工工期拉長(zhǎng)，管道投資也隨之相應(yīng)增加。而直埋管道在安裝軸向補(bǔ)償器時(shí)，往往由于補(bǔ)償器兩側(cè)管道軸線很難保證在同一水平直線上（經(jīng)常出現(xiàn)夾角），這就給管網(wǎng)運(yùn)行帶來安全隱患。
大量的工程實(shí)踐已經(jīng)完全證明了直埋無補(bǔ)償技術(shù)的可行性、實(shí)用性和安全性。目前供熱管道直埋無補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法有兩種：一種是北歐的計(jì)算方法，應(yīng)用第四強(qiáng)度理論，采用極限分析，管道安裝時(shí)需要預(yù)熱安裝；一種是北京煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院的計(jì)算方法：應(yīng)用第三強(qiáng)度理論，采用應(yīng)力分類、安定性分析，管道安裝冷安裝即可。冷安裝與預(yù)熱安裝相比較更為方便、快捷，易于應(yīng)用和推廣。
直埋管道的安全性取決于管道中的應(yīng)力。直埋管道中根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生的來源及出現(xiàn)不同的失效方式可將應(yīng)力分為：
1、一次應(yīng)力：介質(zhì)在管道中工作產(chǎn)生的應(yīng)力，如內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力。
2、二次應(yīng)力：管道熱脹冷縮變形產(chǎn)生的應(yīng)力，如溫變軸向應(yīng)力。
3、峰值應(yīng)力：一定時(shí)期內(nèi)，承受一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的直管道向管件釋放變形，在該管件上產(chǎn)生的應(yīng)力集中。
在直埋管道中，二次應(yīng)力（軸向溫變應(yīng)力）的水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)壓產(chǎn)生的一次應(yīng)力（內(nèi)壓應(yīng)力），因此，直埋管道的安全性主要取決于管道的軸向溫變應(yīng)力。
直埋供熱管道的破壞方式從理論上講，直埋供熱管道上存在著多種破壞方式，但地實(shí)際工程實(shí)例中，對(duì)直埋供熱管道產(chǎn)生主要破壞作用方式有以下方式：
塑性變形是一次應(yīng)力與二次應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生的，而對(duì)一個(gè)供熱管網(wǎng)，一次應(yīng)力的最大值是相對(duì)固定的，因此，直埋供熱管道產(chǎn)生塑性變形主要取決于二次應(yīng)力（溫變應(yīng)力）。所以，當(dāng)二次應(yīng)力超過管道屈服極限σs時(shí)，管道產(chǎn)生有限的塑性變形；當(dāng)二次應(yīng)力超過了兩倍管道屈服極限，即2σs時(shí)，管道在溫變壓應(yīng)力下產(chǎn)生壓縮變形，管道在溫變拉應(yīng)力下產(chǎn)生拉伸塑性變形，這樣就產(chǎn)生了循環(huán)塑性變形。
彎頭、變徑、折角、三通等管件承受的應(yīng)力是一次應(yīng)力和二次應(yīng)力集中所產(chǎn)的的峰值應(yīng)力。管件在熱網(wǎng)啟運(yùn)和停運(yùn)時(shí)承受極值峰值應(yīng)力，而在熱網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，管件只承受低頻峰值應(yīng)力。根據(jù)工程實(shí)例數(shù)據(jù)，彎頭、變徑、折角、三通等管件的峰值應(yīng)力，不會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞。彎頭、變徑、折角、三通等管件的疲勞破壞是直埋供熱網(wǎng)中是主要的破壞方式。管道上方出現(xiàn)高傳遞性荷載（如載重車輛通過）時(shí)，管道局部截面產(chǎn)生橢圓化變形，相應(yīng)地會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成管道破壞。荷載破壞是供熱管網(wǎng)破壞的常見方式。直埋管道在運(yùn)行工況下承受的最大應(yīng)力是軸向壓力，當(dāng)管道溫升較高，管道熱膨脹變形不能完全釋放時(shí)產(chǎn)生的軸向二次應(yīng)力,溫變應(yīng)力急劇升高，在壓桿效應(yīng)下，管道易出現(xiàn)軸向整體失穩(wěn)破壞。
變徑是管道上常用的管件，直埋無補(bǔ)償設(shè)計(jì)中，由于變徑兩側(cè)的直管道的應(yīng)力不相同，特別是上級(jí)管徑應(yīng)力大于下級(jí)管徑應(yīng)力，造成變徑處的峰值應(yīng)力過大，對(duì)變徑產(chǎn)生破壞。因此，應(yīng)對(duì)變徑采取加強(qiáng)或設(shè)置固定墩保護(hù)。
支線抽頭相對(duì)主管道來講，起固定作用，有利于提高主管道的安全性。但抽頭處也同時(shí)是環(huán)向拉應(yīng)力最大的地方，對(duì)支線的破壞性產(chǎn)生較大。在高溫直埋無償管道中，應(yīng)采取加強(qiáng)及特殊抽頭處理來保證支線的安定。
直埋管道的工作環(huán)境較為特殊，影響直埋管道的的各種力在理論上都會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生影響，但我們?cè)趯?shí)際的工程實(shí)例中，要根據(jù)實(shí)際工況來區(qū)分哪些力會(huì)對(duì)管道的物理結(jié)構(gòu)、運(yùn)行工況產(chǎn)生嚴(yán)重影響，導(dǎo)致管道無法安全運(yùn)行。例如：管道內(nèi)壓超過一定限度時(shí)會(huì)導(dǎo)致管道破裂。管道熱膨脹變形不能完全釋放時(shí)溫變應(yīng)力超過管道屈服極限σs時(shí)，僅會(huì)使管道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形，塑性變形產(chǎn)生的應(yīng)變只要是在安全范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)管道結(jié)構(gòu)造成危害，管道仍能在安全工作條件下運(yùn)行，管道就處在安定狀態(tài)。充分發(fā)揮管道的材料潛力，使管道不出現(xiàn)物理破壞，這就是應(yīng)力分類強(qiáng)度設(shè)計(jì)的主要出發(fā)點(diǎn)，它是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法。直埋供熱管道在工作中主要承受介質(zhì)內(nèi)壓、土壤（包括車荷載）橫向外壓和溫差軸向力，直埋供熱管道的力學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為薄壁長(zhǎng)圓柱殼或長(zhǎng)圓筒。根據(jù)經(jīng)典的板殼穩(wěn)定性理論，圓筒在橫向外壓或軸向壓力作用下均可能產(chǎn)生局部屈曲。為解決工程建設(shè)的迫切需要，對(duì)大直徑管道失效方式的研究不足
供熱管道所涉及的失效方式主要包括以下
無限制塑性變形：指的是管道的無限制塑性流動(dòng)變形。
循環(huán)塑性變形：管道溫度在工作循環(huán)最高溫度和最低溫度之間變化時(shí)，管道的變形就相應(yīng)的在最大和最小、或者壓縮塑性變形和拉伸塑性變形間循環(huán)變化，這樣就容易產(chǎn)生循環(huán)塑性破壞。運(yùn)行壓力越高、循環(huán)溫差越大，越容易產(chǎn)生循環(huán)塑性變形。
低循環(huán)疲勞破壞：管道結(jié)構(gòu)不連續(xù)處會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于管道其他部分較大的應(yīng)力，溫度的循環(huán)變化使得應(yīng)力循環(huán)變化，引起管道的疲勞破壞。由于溫度的變化頻率較低，所以由溫度變化引起的疲勞破壞稱作低循環(huán)疲勞破壞。
高循環(huán)疲勞破壞：由于車輛等的通過，其作用力會(huì)使管道產(chǎn)生應(yīng)力集中。因?yàn)檐囕v荷載出現(xiàn)的頻率較高，所以稱之為高循環(huán)疲勞破壞。對(duì)于大直徑的直埋敷設(shè)，這種變形較易發(fā)生。
管道的失穩(wěn)分為整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)。管道的整體失穩(wěn)分為垂直失穩(wěn)水平失穩(wěn)。
由于管道的升溫軸向力的壓桿效應(yīng)會(huì)使管道變彎，管段中產(chǎn)生較大的彎矩，從而引起垂直失穩(wěn)（豎向失穩(wěn)）。
管道投入運(yùn)行后，在管線附近平行開溝時(shí)，土壤側(cè)向的支撐作用減弱，極易產(chǎn)生管道的整體水平失穩(wěn)。
目前在設(shè)計(jì)時(shí)只驗(yàn)算垂直失穩(wěn)，而不驗(yàn)算水平失穩(wěn)，即未考慮管道運(yùn)行后的失效情況。
局部失穩(wěn)：管路附件和承受高軸向壓力的管道也存在著失穩(wěn)的可能性，稱作局部失穩(wěn)。
閥門的破壞：閥門由于受軸向應(yīng)力而變形破壞或者失效，都會(huì)導(dǎo)致管道的失效。
從以上幾種失效方式產(chǎn)生的機(jī)理來看，管道中發(fā)生不同失效方式的位置和情況都有所不同。直管以及不同的管路附件（直管、三通、彎頭、閥門等）對(duì)應(yīng)著各自不同的失效方式。而現(xiàn)行的直埋管道受力設(shè)計(jì)方法中只考慮了其中部分的失效方式，是對(duì)小直徑管道等設(shè)計(jì)條件下管道應(yīng)力分析的一種簡(jiǎn)化。例如：《規(guī)程》中對(duì)于直管的受力設(shè)計(jì)只考慮了無限制塑性變形破壞、整體垂直失穩(wěn)和循環(huán)塑性變形，未考慮局部失穩(wěn)破壞。對(duì)于大直徑、較高工作壓力的管道，必須考慮管道的局部失穩(wěn)破壞
隨著直埋管道規(guī)模的不斷擴(kuò)大，在實(shí)際的受力設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮大直徑管道受力特點(diǎn)，根據(jù)具體的情況，選擇相應(yīng)的管道失效方式進(jìn)行分析和驗(yàn)算，才能保證管道受力設(shè)計(jì)的合理、工程的運(yùn)行安全。
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