【摘 要】為更好地利用《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術規(guī)程》指導直埋供熱管道工程設計，本文按照規(guī)程的思路框架，結合實際工程的設計步驟，采用規(guī)程中的簡化公式，對實際直埋供熱管道的應力驗算、保溫結構與性能進行分析。 

　　【關鍵詞】直埋；供熱管道；設計；淺析 
　　1.概述 
　　城鎮(zhèn)直埋供熱管道敷設方式同傳統(tǒng)的地溝敷設相比具有占地少、施工周期短、維護量小、壽命長等諸多優(yōu)點，非常適合城市建設的要求，隨著《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術規(guī)程》（以下簡稱為規(guī)程）的發(fā)布，技術已經(jīng)很成熟，實際運用也越來越廣泛。 
　　1.1規(guī)程適用條件 
　　本規(guī)程適用于供熱介質(zhì)溫度≤150℃、公稱直徑≤DN500的鋼制內(nèi)管、保溫層、保護外殼結合為一體的預制保溫直埋熱水管道。這里對適用條件提出了兩個界限，即溫度界限和管徑界限。在規(guī)程總則的條文說明中給出了詳細的解釋，溫度條件是設計熱網(wǎng)經(jīng)濟性和安全性的重要參數(shù)，針對的是預制保溫管的保溫材料耐溫能力、使用壽命，另外根據(jù)現(xiàn)有理論在強度方面這個溫度也是安全的；采用管徑界限是因為規(guī)程中在強度計算、管道熱伸長計算中對荷載做了簡化，對小管徑誤差不大，對大管徑而言計算結果會有較大偏差，是不安全的。在使用本規(guī)程時必須滿足其適用條件。 
　　1.2直埋敷設方式 
　　直埋敷設分有補償敷設和無補償敷設兩種。無補償敷設具有投資省、工期短和施工簡便的優(yōu)點；有補償敷設相對于無補償敷設來說，投資較大、占地較多、工期較長、施工較復雜。因此在滿足管網(wǎng)安全的前提下，要優(yōu)先采用無補償敷設方式，近幾年來在工程實踐中應用的越來越多。 
　　1.3管網(wǎng)的布置與敷設 
　　在確定了各單體建筑的入口之后，結合管網(wǎng)綜合圖來布置管線，滿足熱力管道與其他管線的間距要求。管網(wǎng)的其他要求如管道覆土深度、排氣泄水、分支管三通彎頭的保護、閥門附件的要求等詳見規(guī)程中的具體要求。 
　　2.管道應力驗算 
　　規(guī)程中明確提出，應力驗算采用目前國內(nèi)外先進的應力分類法。應力分類法是將管道上的應力分為一次應力、二次應力和峰值應力三類，并采用相應的應力驗算條件。 
　　一次應力：是由管道內(nèi)壓及持續(xù)外載產(chǎn)生的應力（力作用）。當應力達到甚至超過屈服極限時，管道將產(chǎn)生較大變形甚至破壞。這種應力是非自限性的，應力驗算采用彈性分析或極限分析。 
　　二次應力：是由于管道熱脹冷縮等變形受約束而產(chǎn)生的應力（位移作用）。當部分材料超過屈服極限時，由于產(chǎn)生小量的塑性變形，變形協(xié)調(diào)得到滿足，變形就不再繼續(xù)發(fā)展。它具有自限的特點，采用安定性分析。 
　　峰值應力：指管道或附件（如三通等）由于局部結構不連續(xù)或局部熱應力效應而產(chǎn)生的應力增量。它的特點是不引起顯著的變形，是一種導致疲勞裂紋或脆性破壞的可能原因，必須根據(jù)管道整個使用期限所受的循環(huán)荷載進行疲勞分析。但對低循環(huán)次數(shù)的供熱管道，對在管道上出現(xiàn)峰值應力的三通、彎頭等局部應力集中處，可采用簡化公式，計入應力加強系數(shù)進行應力計算。 
　　在計算中，直埋供熱管道的一次應力的當量應力不應大于鋼材在計算溫度下的基本許用應力[б]；二次應力及一次應力的當量應力變化范圍不應大于鋼材在計算溫度下基本許用應力[б]的三倍；管道局部應力集中部位的一次應力、二次應力和峰值應力的當量應力變化幅度不應大于鋼材在計算溫度下基本許用應力[б]的三倍。 
　　根據(jù)安定性理論，當直管段的當量應力變化范圍滿足下列表達式的要求時，管系中允許有錨固段存在： 
　　бj=（1-v）бt-αE（t2-t1）≤3[б] （1） 
　　式中бj——內(nèi)壓、熱脹應力的當量應力變化范圍，MPa； 
　　v——鋼材的泊松系數(shù)； 
　　бt——管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應力，MPa； 
　　α——鋼材的線膨脹系數(shù)，m/m？℃； 
　　E——鋼材的彈性模量，MPa； 
　　t2——管道工作循環(huán)最低溫度，℃； 
　　t1——管道工作循環(huán)最高溫度，℃； 
　　[σ]——鋼材在計算溫度下的基本許用應力，MPa。 
　　例如：當t1=115℃、t2=10℃、管道設計壓力P=1.4MPa時，Φ529×9管道和Φ89×3.5管道的當量應力變化范圍分別為285.84MPa和267.68MPa，而Q235-A鋼管的基本許用應力的三倍為375MPa。因此，滿足這個驗算條件的直管段在布置時的長度是不受限制的，也就是允許管道存在錨固段，即完全可以無補償。當不能滿足這個驗算條件時，則管道必須全部布置成過渡段，過渡段的最大允許長度按規(guī)程的相關公式計算，此時管網(wǎng)采用有補償敷設方式。 
　　3.直埋供熱管道保溫結構及性能 
　　直埋供熱管道由鋼制內(nèi)管、保溫層和保護外殼結合為一體，保溫層和保護外殼組成保溫結構。 
　　直埋供熱管道保溫結構除具有管道保溫的功能外，還具有傳遞力、抵抗土壤壓迫的功能。保溫層和外殼必須具有足夠的強度以克服土壤對管殼在管道徑向產(chǎn)生的壓力和管道在土壤中橫向位移時土壤對管殼的擠壓，保證保溫結構形狀完整，因此規(guī)程中要求保溫層的抗壓強度≥200kPa。 
　　外殼、保溫層和鋼管相互之間的粘結強度也是保證保溫結構完整所必須的。直埋供熱管道的保溫層需要能傳遞剪切力，以克服管道軸向位移時土壤對管道外殼的摩擦力。單位長度直埋敷設預制保溫管的外殼與土壤之間的摩擦力，按下式計算： 
　　F=πρgμ（H+Dc/2）Dc （2） 
　　式中F——軸線方向每米管道的摩擦力，N/m； 
　　ρ——土壤密度，kg/m3； 
　　g——重力加速度，9.81m2/s； 
　　μ——土壤與管殼之間摩擦系數(shù)； 
　　H——管頂覆土深度，當H>1.5m時，取1.5m； 
　　Dc——管外殼直徑，mm。 
　　外殼與保溫層粘結的牢固程度以及保溫層與內(nèi)鋼管粘結的牢固程度都應證傳遞軸向剪切力，其剪切強度為： 
　　τ=Fmax/πDc=ρgμmax（H+Dc/2） （3） 
　　式中Fmax——土壤與管殼最大摩擦力，N/m； 
　　μmax——土壤與管殼之間最大摩擦系數(shù)。 
　　例如：對DN20保溫管保溫層與內(nèi)鋼管表面粘結抗剪強度必須大于37.2kPa。對于DN500保溫管外殼與內(nèi)保溫層粘結抗剪強度要大于13.6kPa。因此，規(guī)程中要求直埋供熱管道的保溫層剪切強度（含與內(nèi)管和外殼粘結≥120kPa。 
　　4.總結 
　　（1）在實際工程中應根據(jù)設計條件對直管段進行應力驗算，來確定是否可采用無補償敷設。 
　　（2）直埋供熱管道應有足夠的強度并與鋼管粘結為一體，其抗壓、剪切強度必須滿足規(guī)程要求。 
　　【參考文獻】 
　　[1]中華人民共和國建設部.城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術規(guī)程.（CJJ/T 81-98）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999. 
　　[2]中華人民共和國住房和城市建設部.城市供熱管網(wǎng)設計規(guī)范.（CJJ34-2010備案號J1074-2012）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010. 
　　[3]王致祥等.管道應力分析與計算[M].北京：水利電力出版社，1983.