直埋供热管道埋深的研究

摘 要

摘要：利用EXCEL表编制了直埋供热管道纵向稳定性验算表，计算了在满足直埋供热管道纵向稳定性验算条件下的管道最小埋深，分析了管道埋深对补偿器、弯头设计选型的影响。关键词：直
摘要：利用EXCEL表编制了直埋供热管道纵向稳定性验算表，计算了在满足直埋供热管道纵向稳定性验算条件下的管道最小埋深，分析了管道埋深对补偿器、弯头设计选型的影响。
关键词：直埋供热管道；管道埋深；补偿器；弯头
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
    在直埋供热管道设计中，相对于应力验算、补偿设计计算，人们往往轻视管道埋深的设计计算。但实际上，确定管道埋深是很重要的。本文对直埋供热管道埋深的确定及其对补偿器、弯头设计选型的影响进行探讨。
1 管道埋深的验算
    管道在受热状态下会承受轴向压应力，管道越长，所受土壤摩擦力越大，承受轴向压应力越大。在轴向压应力作用下，管道有向轴向法线方向弯曲的倾向，即管道纵向失稳。由于管道周围土壤的约束作用，通常情况下，管道会保持稳定状态。特别是管道上方土壤的存在，抑制了管道产生纵向失稳，土壤间的剪切力也会阻止管道的纵向失稳。理论上管道埋深越大，上方土壤的重量及被破坏时的剪切力也就会越大，管道越不容易失稳。CJJ/T 81—98《城镇直埋供热管道工程技术规程》给出了管道纵向稳定性验算的方法：北欧算法、前苏联算法。比较两种算法可知：前苏联算法未考虑管道隆起时土壤被破坏的剪切力，北欧算法中未考虑管道失稳时管道轴向推进受到的土壤摩擦力。经计算比较，为保持管道纵向稳定，北欧算法的埋深计算结果比前苏联算法稍大。笔者采用北欧算法，利用EXCEL表编制了纵向稳定性验算表，用于分析及验算供热管道的纵向稳定性。
下面分析对比不同管径供热管道对土壤埋深的要求。作用在单位长度管道上的垂直荷载下应符合下式要求：
 
式中F——作用在单位长度管道上的垂直荷载，N/m
    γs——安全系数，取1.1
    Fp,max——管道的最大轴向力，N
    S0——初始挠度，m
    E——钢材的弹性模量，MPa
    Ip——直管横截面惯性矩，m4
初始挠度S0的计算式为：
 
当S0＜0.01m时，取0.01m。
F应按下式计算：
 
式中Ww——单位长度管道上方的土层重量，N/m
Wi——单位长度预制保温管白重(包括介质在内)，N/m
    Fs——单位长度管道上方土体剪切力，N/m
    ρ——土壤密度，kg/m3
    g——重力加速度，m/s2
h——管道管顶埋深，m
    Dc——预制保温管的外径，m
K0——土壤静压力系数
φ——土壤的内摩擦角，rad
EXCEL表的主要输入条件为：运行温度为130℃，安装温度为0℃，钢管壁厚(单位为m)，ρ=1800kg/m3，E=2×105MPa，安全系数为1.1，Dc，φ=π/6rad，g=9.8m/s2。对于规格为DN 50～800mm的管道，EXCEL表的最小管顶埋深计算结果见表1。由表1可知，管径越小，管道越容易失稳，所需埋深越深；管径越大，管道越不容易失稳，所需埋深越小。在实际设计时，当纵向稳定性不满足要求时，我们应采取的措施有：①增大管道埋深。②当有地下障碍，埋深得不到满足时，可以在管道上方加混凝土墩等重物，增加管道稳定性。③管网中增设补偿器，使管道的热应力得到充分释放。④对管道进行预热处理，这样管道在受热后，产生的热应力会降低，进而减小轴向压应力，使管道处于稳定状态。
表1 EXCEL表的最小管顶埋深计算结果
公称直径/mm
50
100
200
300
400
500
600
800
最小管顶埋深/m
1.20
0.95
0.90
0.75
0.60
0.40
0.35
0.20
2 管道埋深对补偿器及弯头选型的影响
   管道的补偿方式可分为补偿器补偿、利用弯头自然补偿。在土壤摩擦力作用下，管道的热伸长受到抑制。离补偿器近的管段，受到的摩擦力较小，热伸长时受到的抑制作用也就较小；离补偿器远的管段，受到的摩擦力大，热伸长时受到的抑制作用也就较大。当土壤摩擦力增大到一定程度，即摩擦力等于管道热胀力时，管道的热伸长刚好被抑制，管道不能伸长。这就引入了过渡段、锚固段的概念。离补偿器较近，发生热伸长的管段，称为过渡段；离补偿器较远，不能发生热伸长的管段，称为锚固段。
    很显然，过渡段越长，管道的热伸长量越大，要求补偿器的补偿量越大；若采用弯头自然补偿，要求弯头的曲率半径越大。过渡段越短，管道的热伸长量越小，要求补偿器的补偿量越小；若采用弯头自然补偿，要求弯头的曲率半径越小。
    因此，当管道很长时，补偿器的补偿量、弯头的曲率半径取决于最大过渡段长度。而决定管道最大过渡段长度的因素，除运行温度外，就是管道的埋深。管道埋深越大，受到的摩擦力越大，过渡段长度越短，若采用弯头自然补偿，要求弯头的曲率半径越小；管道埋深越小，受到的摩擦力越小，过渡段长度越大，若采用弯头自然补偿，要求弯头的曲率半径越大。
    以公称直径为400mm、运行温度为130℃、弯头角度为55°的管段为例进行计算。主要计算式为CJJ/T 81—98《城镇直埋供热管道工程技术规程》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，选取埋深为0.3～1.5m，对该管段的补偿器伸长量及弯头曲率半径进行计算。EXCEL表的主要输入条件为：钢管外径0.429m，运行温度为130℃，安装温度为0℃，钢管壁厚为0.007m，ρ=1800kg/m3，E=2×105MPa，Dc=0.56m，钢材线胀系数为1.26 ×10-5K-1，g=9.8m/s2。EXCEL表的补偿器伸长量、弯头曲率半径计算结果见表2。应注意的是，补偿器、弯头选型一旦确定，管道就不能随意抬高，若受现场限制，不得不抬高时，必须重新计算过渡段长度，验算最初选定的补偿器、弯头是否满足抬高后管道的热伸长要求。
表2 EXCEL表的补偿器伸长量、弯头曲率半径计算结果
埋深
0.3
0.4
0.5
0.6
0.8
1.0
1.2
1.5
补偿器伸长量
0.541
0.462
0.402
0.357
0.290
0.245
0.212
0.175
弯头曲率半径
8.3
7.5
7.0
6.4
6.0
5.0
4.2
4.O
3 标准的相关规定
    管道埋深除考虑以上因素外，还应符合CJJ/T 81—98《城镇直埋供热管道工程技术规程》的相关规定。该标准第3.1.2条规定：直埋供热管道最小覆土深度应符合表3.1.2的规定，同时尚应进行稳定验算。表3.1.2的内容见表3。
表3 CJJ/T 81—98表3.1.2的内容
公称直径/mm
50～125
150～200
250～300
350～400
450～500
车行道下管顶埋深/m
0.8
1.0
1.0
1.2
1.2
非车行道下管顶埋深/m
0.6
0.6
0.7
0.8
0.9
    另外，管道埋深还应考虑供热管道的热损失，尤其对于寒冷地区。以DN 400mm、40mm厚聚氨酯预制保温管为例，运行温度为130℃，室外温度为-20℃，计算在不同埋深下的管道热损失。EXCEL表的管道热损失计算结果见表4。由表4可知，当管中心埋深为0.8m时，管道单位面积热损失为91W/m2。为控制管道热损失，应保证合理的管道埋深，或者增加管道保温层的厚度。
表4 EXCEL表的管道热损失计算结果
管中心埋深m
0.8
1.0
1.2
1.5
2.0
管道热损失/(W·m-2)
91.0
89.0
85.7
81.2
74.0
4 结论
    在直埋供热管道设计中，确定管道埋深非常重要，它涉及热网的安全性、经济性、运行的稳定性等，不得随意更改。若受现场限制不得不改变时，应对各影响因素进行分析校核，确定最佳解决方案。
 
(本文作者：杨海礁 唐山市热力工程设计院 河北唐山 063000)