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直埋供热管道设计
作者：唐丽君
来源：《建筑工程技术与设计》2014年第07期
摘要：本文作者主要对直埋的供热管道进行了设计上的理论分析，首先对管道系统的应力进行了分析，其次对直埋管道的破坏预防上的设计方式方法进行了探讨，最后对管道的铺设和布置的原则进行了分析。
关键词：直埋供热管道；设计计算 1. 直埋供热管道现行法规及应力
直埋管道遵循两个理论：弹性法及安定性。目前直埋供热管道的设计主要依据《区域供热整体式预制保温管设计、计算和安装》及《城镇直埋供热管道工程技术规程》。 1、直埋管道安全性取决于管道应力的大小。应力验算采用应力分类法。 一次应力：工作压力在直管中产生的应力；
二次应力：热胀冷缩受到约束时在直管中产生的应力；
峰值应力：承受一二次应力直管向管件释放变形在管件周围产生的应力。 2 .系统组成
直埋管道由直管、弯管、折角、三通、异径管、阀门、补偿器和固定墩组成。 3.设计原则
根据给定的管径和管网走向，采取一定的技术措施，使整个供热系统在设计条件下始终处于安全状态。 4. 安装方式
冷安装：整体焊接温度等于回填时环境温度 预应力安装：整体焊接温度高于回填时环境温度。
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预热安装：二次应力为不预热50%。减少固定墩、补偿器数量，减少补偿器焊口、接口保温工作、工期短。整个管网处于较低压力。
有补偿安装：二次应力100%温升应力。增加补偿器焊口、接口保温等工作，施工难度大。
无补偿安装：二次应力100%温升应力。减少补偿器焊口、接口保温工作，减少补偿器焊口、接口保温工作，工期短。管网处于较高压力状态。 2. 直埋供热管道主要的应力
1、热膨胀力（N）：温度变化而产生的力：N=aEA（t1-t0） 2、泊松力（Nv ）：承受内压产生的拉应力：N =A.v. δt 3、土壤摩擦力（Ff）：Ff=Fl.l 4、补偿器位移阻力（Pt）：
5、主动轴向力（N a）：热膨胀力和泊松力：N =A.v. δt- aEA（t1-t0） 6、被动轴向力（F）：摩擦力和位移阻力：F=Ff+ Pt
7.轴向内力（N）：直埋管道产生温差时就有热膨胀力，仅当热膨胀力小于等于约束外力，热膨胀力全部转化钢管轴向内力。热膨胀力大于约束外力，膨胀量部分压缩，仅压缩部分热膨胀力转化成内力。不受约束外力时，热膨胀量完全释放，不产生轴向内力。 3. 直埋供热直管道分类
下文以直埋管道直管段为例来说明。
1、过渡段（有补偿管段）：管道的热膨胀全部或部分释放，热膨胀力得到一定的释放，仅有部分转化为管道的轴向内力，管道的热应力较小。
过渡段的长度取决于摩擦力和管道温升等因素，管道的主动轴向力与被动轴向力相等时，过渡段长度达到极限值。
2、锚固段（无补偿管段）：管道热膨胀完全受阻，热膨胀力全部转化为管道内力的管段。
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3、有补偿和无补偿管段的形成：利用补偿装置形成补偿装置间距大于两倍过渡段极限长度，两端形成有补偿管段，两个锚固点之间形成无补偿管段。补偿装置间距小于等于两倍过渡段极限长度，形成两个有补偿管段，分界点为驻点。
4、利用固定墩形成固定墩之间无补偿时形成无补偿管段。固定墩和补偿装置的间距大于过渡段极限长度时，靠近补偿装置形成有补偿管段，锚固点和固定点之间形成无补偿管段。固定墩和补偿装置间距小于等于过渡段极限长度，形成有补偿管段。 4、直埋管道破坏方式及强度条件
强度破坏：应力超过允许当量应力产生破坏。 稳定性破坏：管道受压时发生挠曲产生破坏。
无限塑性流动：内压产生环向应力（一次应力），使管壁发生无限塑性流动，导致管道爆裂。设计时应使环向应力不大于基本许用应力。
引起循环塑性变形：温变和内压使钢材交替发生拉伸和压缩塑性变形，引起破坏。设计时应注意使一、二次应力合成应力变化范围不大于3倍基本许用应力。
低循环疲劳破坏：弯头、三通、异径管及处产生的峰值应力引起管道的疲劳破坏。这时应使峰值应力变化范围不大于6倍基本许用应力。
高循环疲劳破坏：车辆荷载使管道截面产生椭圆变形，引起疲劳破坏。可通过对覆土的深度来避免。当覆土浅的时候应设置保护结构。
整体失稳：无补偿管道，温升力转化为轴向应力，易出现整体失稳，管道自重、土壤力可阻止管道失稳。小口径管道埋深较浅时，易产生纵向失稳；管线附*行开沟时，易产生水平失稳。
局部失稳：在轴向应力作用下，管壁可能出现局部失稳。失稳可能性随管壁增厚而减小，随钢管平均半径增大而增加。
阀门破坏：在高轴向力作用下，阀门变形破坏。设计时所选用的阀门应能承受轴向力和压力。
结论：对于直埋管道直管段的设计，需要防止循环性破坏、整体失稳等破坏方式。在设计时需要对管段进行强度和稳定性验算。对于整个供热管网的设计，可以根据以下流程来对管网进行计算、校核。
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参考文献：
[1] 陆耀庆主编《实用供热空调设计手册》（第二版） [2]《城市供热手册》
[3]《城镇直埋供热管道工程技术规程》
