摘要：本文主要討論了發(fā)電廠直埋供熱管道的設計與施工理論。首先分析管道系統(tǒng)承受的作用（荷載），探討了防止直管破壞的設計方法，最后提出了管道的布置和敷設原則。

　　直埋敷設已成為我國區(qū)域供熱管網(wǎng)推薦的一種敷設方式，其與傳統(tǒng)的地溝敷設方法相比具有占地少、施工周期短、維護量小、節(jié)約投資、壽命長等諸多優(yōu)點，很適合城市建設的要求，在我國已得到一定范圍的應用。

　　一、直埋供熱管道的設計方法

　�。ㄒ唬┲甭窆�熱管道的作用及應力特點

　　所有使管道產(chǎn)生內力及應力的因素都稱為作用（又稱荷載）。不同類型的作用，使管道產(chǎn)生不同性質的應力，進一步可能導致不同方式的破壞。溫度和壓力是熱力管道上最主要的兩種作用。對于直埋管道，還有軸向位移產(chǎn)生的土壤軸向摩擦力和側向位移產(chǎn)生的土壤側向壓縮反力。另外，在管道局部結構不連續(xù)處會產(chǎn)生應力集中，對應的應力稱為峰值應力。峰值應力不會引起顯著的變形．但循環(huán)變化的峰值應力，也會造成鋼管內部結構的損傷，導致管道疲勞破壞。管道在彎頭、三通處產(chǎn)生的應力屬于峰值應力。由于土壤的均勻支撐，管道的自重沒有產(chǎn)生自重彎曲應力，故一般忽略不計。但是對于熱網(wǎng)中常用的管道，其公稱壁厚要遠遠大于該壓力所需的設計壁厚，內壓產(chǎn)生的實際應力也就遠遠小于管材的屈服應力。相反，由于管道中熱脹變形不能完全釋放，使管道產(chǎn)生了較大的軸向壓力和壓應力，其中軸向壓應力可能與屈服應力處于同一數(shù)量級上。因此，在直埋敷設熱力管道中，內壓的影響較小，管道產(chǎn)生爆裂的可能性很小，而溫度的影響則較大，管道強度設計中應主要考慮溫度變化產(chǎn)生的循環(huán)塑性變形和疲勞破壞。

　　（二）防止直管破壞的設計方法

　　1.防止循環(huán)塑性破壞的設計方法

　　管道溫度在管道工作循環(huán)最高溫度與最低溫度問變化時，所產(chǎn)生的應力變化是循環(huán)塑性破壞的起因。無論是錨固狀態(tài)的管道，還是滑動狀態(tài)的管道，應力變化都與安裝溫度無關，故預應力安裝不解決冷安裝的循環(huán)塑性破壞的問題。當錨固狀態(tài)的直管段滿足不產(chǎn)生循環(huán)塑性破壞的安定性條件時，錨固狀態(tài)的管道允許存在，該直管段可以采用無補償安裝方式，當然包括了無補償冷安裝方式。否則，應在該直管段設置補償裝置，并通過調整補償裝置間距，控制管段上的應力變化，使之不產(chǎn)生循環(huán)塑性破壞，這時，該直管段就變成有補償安裝方式。

　　2.防止整體失穩(wěn)破壞的方法

　　在進行直埋供熱管道設計時，除考慮循環(huán)塑性破壞外，還要考慮穩(wěn)定性問題。管道溫度從安裝溫度升高到管道工作循環(huán)最高溫度時，所產(chǎn)生的升溫軸向壓力是整體失穩(wěn)破壞的起因。在冷安裝條件下，錨固的直管段滿足穩(wěn)定性條件時，該直管段可采用無補償冷安裝方式。一般地講，供水溫度不高于130℃、管徑不大于DN500的熱網(wǎng)，采用無補償冷安裝方式都能保證不出現(xiàn)循環(huán)塑性破壞；當埋深在1米以下時，還能保證不出現(xiàn)整體失穩(wěn)。由于一般的熱網(wǎng)都可滿足上述條件，故從直管段強度的角度，采用無補償冷安裝方式是沒有問題的。但是，從保護三通、彎頭、折角、大小頭和閥門等薄弱部件以及減小固定墩推力的角度，有時在局部管段還要采用設置補償裝置的有補償安裝方式。至于預應力安裝方式，由于只能解決穩(wěn)定性的問題，而通過增加覆土深度或設置補償裝置解決穩(wěn)定性問題，通常會更經(jīng)濟一些，故預應力安裝方式的使用變得越來越少。

　　二、直埋供熱管道的施工方法

　　（一）直埋供熱管道的安裝方式

　　直埋管道中的應力是熱脹變形不能完全釋放而產(chǎn)生的。因此。通過選擇不同的安裝方式，可以改變熱脹變形的大小和變形的釋放程度，進而改變管道的應力水平。熱脹變形的大小與零應力狀態(tài)對應的溫度有關，零應力狀態(tài)溫度的提高，可降低熱脹變形的大小。根據(jù)此溫度是否等于安裝時的環(huán)境溫度，管道可分為兩種。冷安裝：零應力狀態(tài)對應的溫度等于安裝時的環(huán)境溫度。預應力安裝：零應力狀態(tài)對應的溫度等于預熱溫度。根據(jù)熱脹變形能否釋放，管道又可分為兩種。無補償安裝：兩固定墩之間或遠離補償裝置而處于錨固狀態(tài)的管道（錨固段），其熱脹變形不能被補償裝置所吸收。有補償安裝：補償裝置附近處于滑動狀態(tài)的管道（滑動段），其熱脹變形能被補償裝置所吸收。

　　1.無補償冷安裝

　　管道回填時，既不進行預應力，也不進行補償，溫度變化時管段處于不動的錨固狀態(tài)。無補償冷安裝是最簡單和最經(jīng)濟的安裝方式，但運行工況下管道承受較高應力。在滿足強度條件時，管段應優(yōu)先采用這種安裝方式。

　　2.有補償安裝

　　當管段中設置補償裝置（彎管補償器或波紋管補償器）時，補償裝置附近處于滑動狀態(tài)的管段屬于有補償安裝。由于設置彎管補償器或波紋管補償器，必然增加了補償裝置的投資，對于波紋管補償器，還增加了管網(wǎng)的事故點。因此，應避免在整個管網(wǎng)中都采用有補償安裝方式，但在管網(wǎng)設計中，局部管段采用這種安裝方式還是比較安全經(jīng)濟的。

　　3.預應力安裝

　　預應力安裝方式，實質上是改變管道的安裝溫度，使之等于預熱溫度，當管道溫度等于預熱溫度時，管道應力為零。而當管道溫度恢復至環(huán)境溫度時，使管道產(chǎn)生預應力效果�？梢酝ㄟ^預熱的方式和采用一次性補償器的方式來實現(xiàn)預應力安裝方式：（1）預熱方式是管道在回填前進行預熱，加熱到預熱溫度時進行回填，立即可產(chǎn)生預應力效果。采用預熱方式時，應具備預熱熱源，同時現(xiàn)場條件允許管溝敞口。（2）采用一次性補償器的方式時，管道安裝后可立即回填。在首次加熱過程中，當補償管段的熱脹變形量達到在預熱溫度下的自由膨脹變形量時，就可焊接該一次性補償器。通過多次溫度變化，使應力均勻分布，從而達到預應力效果。采用一次性補償器的方式，不需要預熱熱源，并且只需補償器附近的管溝敞口，但是增加了一次性補償器的費用。

　�。ǘ�）直埋供熱管道的布置和敷設

　　1.管材的選擇

　　埋地熱力管道內壓一般都很低，由內壓引起的總體一次薄膜應力不足允許值的50％。發(fā)生直接爆破破壞的可能性很小，破壞的最大可能是由溫度應力引起的塑性疲勞破壞。因此，在選擇管材時，應主要從抗疲勞性能來考慮。這就要求選擇塑性比較好、易焊接的材質，一般10#、20#鋼種較為適宜。軸向溫度應力與管壁橫截面積的大小無關，增加壁厚并不能降低管壁內的軸向應力。相反，它可能增加對固定墩的推力和過渡段的熱伸長量。因此，管壁應盡可能選擇較薄的規(guī)格。在實際工程中有時由于供貨條件的原因，同一直徑的管子可能有兩種以上的規(guī)格。此時，應注意避免不同規(guī)格的管子混合使用。

　　2.管道的布置

　　直埋供熱管道的布置應符合國家現(xiàn)行標準《城市熱力網(wǎng)設計規(guī)范》的有關規(guī)定。直埋供熱管道穿越河底的覆土深度應根據(jù)水流沖刷條件和管道穩(wěn)定性條件確定。直埋供熱管道上的閥門應能承受管道的軸向荷載，宜采用鋼制閥門及焊接連接。直埋供熱管道變徑處（大小頭）或壁厚變化處，應設補償器或固定墩，固定墩應設在大管徑或壁厚較大一側。直埋供熱管道的補償器，變徑管等管件應采用焊接連接。

　　3.管道的敷設

　　直埋供熱管道的高處宜設放氣閥，低處宜設放水閥。管道應利用轉角自然補償，但是10—60的彎頭不宜用做自然補償。從干管直接引出分支管時，在分支管上應設固定墩或軸向補償器或彎管補償器，并應符合下列規(guī)定：分支點至支線上固定墩的距離不宜大干5m，分支點至軸向補償器或彎管的距離不宜大于20 m，分支點有干線軸向位移時，軸向位移量不宜大于50mm.三通、彎頭等應力比較集中的部位，應進行驗算，驗算不通過時可采取設固定墩或補償器等保護措施。當需要減少管道軸向力時，可采取設置補償器或對管道進行預處理等措施。當?shù)鼗�軟硬不一致時，應對地基做過渡處理。埋地固定墩處應采取可靠的防腐措施，鋼管、鋼架不應該裸露。軸向補償器和管道軸線應一致，距補償器12m范圍內管段不應有變坡和轉角。