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1、LOGO 城镇供热直埋供热管道设计规程 讲课人:于喆 目录 直埋供热管道发展 1 现阶段直埋供热工程 2 供热直埋土壤摩擦系数 3 供热直管段应力验算 4 固定墩应力验算 5 第一章 直埋供热管道发展 直埋供热管道发展 一、供热管道发展史 国内外直埋技术的发展已有 60余年的历史，由于直埋管道具 有不影响环境美化、施工简便、工期短、维修工作量少的特点， 因此特别是近三十年来热水供热管道直埋敷设 发展迅速，相应形成了一整套直埋敷设的设计原理和计算方法。 80年代初，我国首次在一些城市的热网工程中采用从北欧国家 引进的直埋保温管进行直埋敷设，经历了二十年的发展，无论在 预制保温管的生产和安装技术上
2、，还是在直埋供热管网的设计理 论和方法上，我国的供热管道直埋技术都得到了飞速发展，直埋 敷设现已成为我国城市热网的主要敷设方式。 早在 70年代，北京煤气热力设计研究院就将当时已应用于火力发 电厂汽水管道上的应力分类法推广到直埋供热管网上，其最显著 的特点是对温度应力采用安定性分析，这样，直管段通常可采用 既不预热也不补偿的无补偿冷安装方式。然而，在 80年代中，我 国很多的直埋供热管网使用的都是从北欧引进的预制保温管，这 样，很多设计单位也相应地采用了北欧的弹性分析法进行直埋管 网设计。采用弹性分析时，为保证管道始终处于弹性状态，直管 段通常要采用设置补偿装置、预热或设置一次性补偿器的安装方
3、 式。 直埋供热管道发展 进入 90年代，多年的直埋热网运行经验，让我国大多数 设计人员认识到，在直管段对温度应力采用弹性分析的确过 于保守，越来越多的设计人员开始应力分类法进行直埋管道 的强度设计。此时，北欧也已意识到这一点，1993年版的 ABB供热手册中介绍了一种管道应力已超过弹性范围的冷 安装方式，接着在 1996年版的欧洲标准区域供热整体式预 制保温管的设计、计算和安装和 1997年为解释该标准而出 版的集中供热手册中则明确地提出应力分类法。 1999年，在唐山市热力公司、北京市煤气热力设计研究 院、哈尔滨建筑大学和沈阳市热力设计研究院等单位的努力 下，历经六年的国家行业标准城镇直埋
4、供热管道工程技术 规程（CJJ/T81-98）颁布实施，标准明确规定了采用应力 分类法进行直埋热力管道的强度设计，标准的颁布也标志着 我国直埋管道设计理论进入了国际先进水平。但目前国内 规程中所给定的管道受力等计算图表中数据均限制管径在 DN500以下。然而随着我国供热事业的飞速发展，规程适用 范围不能满足实际热网的需要，城市热网的最大管径都超过 DN500。因此必须找到一种能适用于大口径直埋管道的设计 方法。 进入 90年代，多年的直埋热网运行经验，让我国大多数 设计人员认识到，在直管段对温度应力采用弹性分析的确过 于保守，越来越多的设计人员开始应力分类法进行直埋管道 的强度设计。此时，北欧
5、也已意识到这一点，1993年版的 ABB供热手册中介绍了一种管道应力已超过弹性范围的冷 安装方式，接着在 1996年版的欧洲标准区域供热整体式预 制保温管的设计、计算和安装和 1997年为解释该标准而出 版的集中供热手册中则明确地提出应力分类法。 1999年，在唐山市热力公司、北京市煤气热力设计研究 院、哈尔滨建筑大学和沈阳市热力设计研究院等单位的努力 下，历经六年的国家行业标准城镇直埋供热管道工程技术 规程（CJJ/T81-98）颁布实施，标准明确规定了采用应力 分类法进行直埋热力管道的强度设计，标准的颁布也标志着 我国直埋管道设计理论进入了国际先进水平。但目前国内 规程中所给定的管道受力等
6、计算图表中数据均限制管径在 DN500以下。然而随着我国供热事业的飞速发展，规程适用 范围不能满足实际热网的需要，城市热网的最大管径都超过 DN500。因此必须找到一种能适用于大口径直埋管道的设计 方法。 直埋供热管道发展 直埋供热管道发展 二、直埋供热管道应力 对于直埋管道来说无论其管径多大，管道所产生的应力 主要是管内介质的内压力和管道发生轴向位移时的土壤轴向 摩擦力，还有管道发生侧向位移时的土壤侧向压缩反力。内 压力所产生的一次应力和土壤侧向压缩反力引起的管道二次 应力的计算方法按照现有的城镇直埋供热管道工程技术规 程（CJJ/T81-98）进行计算，但土壤轴向摩擦力引起的一 次应力在现
7、有的规程中忽略了管道本身自重的影响，这 在小口径直埋管道强度计算中是没有问题的，但对于大口径 直埋管道由于管道本身自重大，当管道发生轴向位移时，由 自重产生的管道与土壤之间摩擦力不可忽略。 直埋供热管道发展 =g(H+Dw /2)Dw+G 其中： 轴线方向每米管道的摩擦力，Nm； 外管壳与土壤的摩擦系数； 土壤密度，kgm3 ，一般砂土取1800 kgm3 ； g 重力加速度，ms2 ； H 管顶覆土深度，m； Dw 预制保温管外壳的外径，m； G 每米预制保温管的满水重量，Nm。 管道轴向应力：Z = FA Z 管道轴向应力，MPa； F 管道轴向力， N； 对于处在过渡段的管道 F =L
8、， L 过渡段长度，m； A 钢管管壁横截面积，mm2。 通过计算，对于DN1000 的预制保温管埋深在1.21.5 米时 ，由管道自重引起的轴 向应力约占上式计算轴向应力的10%左右。 直埋供热管道发展 三、直埋管道的安装方式： 目前国内对直埋管道的安装方式通常主要有以下几种： 1 、预热安装 在管道安装完之后覆土之前，管道进行预热（也可以在预热 之前将管线覆土，仅在 补偿器附近的沟槽处敞口）。管道被加热到预热温度时，保 持温度恒定，将一次性补偿 器焊死，接着进行覆土，待整个预热段全部回填完后，再开 始降温。 2 、有补偿安装 在管道安装时，为保证管道由温升引起的二次应力和由内压 引起的一次
9、应力的综合 应力不超过钢材的许用应力，因此在管道系统中设置膨胀弯 、补偿器等吸收管道热膨胀 的补偿元件，使钢管始终处在弹性范围内工作。 3 、冷安装 冷安装方式是ABB 集中供热手册中提出来的，其允许钢管的 最大轴向应力为325MPa，在管道系统中不设补偿器，也不进 行预热，但冷安装对施工安装要求较高。 直埋供热管道发展 四、直埋管道安全状态的分析： 1、 强度失效 根据作用的不同（荷载）的不同，管道中的应力可以分为一次应力、二次 应力和峰值应力，每种应力都可以引起不同方式的破坏。 a) 塑性流动：内压产生的一次应力，满足静力平衡条件，所引起的变形具 有非自限性。当一次应力超过屈服应力时，管壁
10、会产生较大的塑性变形（ 塑性流动），塑性变形的进一步增加，可导致爆裂或断裂。 b) 循环塑性变形：温度变化产生的二次应力，满足变形协调条件，所引起 的变形具有自限性，变形的同时总能使应力下降，反过来又使变形不在发 展，故二次应力只会产生有限的塑性变形。然而，这种塑性变形会造成管 壁内部结构一定程度的损伤，循环往复的塑性变形将使管道发生破损。在 管道的使用期间内，当循环变化的压力和温度所产生应力（一次应力及二 次应力）变化范围超过了两倍的屈服应力时，将产生循环塑性破坏（在升 温过程中的压缩塑性变形和在降温过程中的拉伸塑性变形）。 c) 疲劳破坏：应力集中通常发生在弯头、折角、大小头及三通等管件处
11、。 在温度和压力变化过程中，应力集中引起的峰值应力，只在很小的局部范 围内产生循环塑性变形。一方面，该区域是被弹性区域包围的，故不会引 起爆裂或断裂；另一方面，塑性变形对钢材的损伤作用，使管道经历了一 定的运行周期后，产生疲劳破坏。峰值应力的变化范围越大，疲劳破坏所 经历的周期就越短。 直埋供热管道发展 2 稳定失效 从整个管线看，管道属于杆件；从管道局部看，管道属于薄 壁壳体。当热力管道处于受压状态时，将可能出现两种不同 方式失稳破坏。 整体失稳：在轴向压应力作用下，由于压杆效应，可能会引 起管线的整体失稳。 局部失稳：在轴向压应力作用下，管壁可能出现局部皱结， 引起局部失稳。 除上述失效方
12、式外，横断面上的土壤荷载和交通荷载也会使 管道截面产生椭圆化变形，过大的椭圆化变形也会使管道产 生破坏 直埋供热管道发展 五、大口径直埋管道的设计要点： 当管道的管径不大于DN500 时，管道只会出现无限塑性流 动、循环塑性变形、疲劳破坏和整体失稳，而不会有其它方 式的破坏出现。针对这种情况，破坏方式出现的强度条件。 当上述强度条件得到满足时，DN500 以下的管道将处于安全 状态。 当管道的管径大于DN500 时，除上述破坏方式外，局部失 稳和截面椭圆变形出现的概率将大大增加，会成为大口径直 埋管道的主要失效方式。那么，需要针对这两种方式建立新 的强度条件，并使管道满足上述条件，则管道处于安
13、全状态 ，这时，大口径预制保温管的直埋敷设是可行的。 直埋供热管道发展 a) 局部失稳：验算钢管管壁局部稳定性的强度条件。产生局部失 稳的因素是管道的轴向应变，轴向应变取决于热胀变形的大小和 热胀变形的释放程度。由于冷安装方式的下的管道温升大于预热 安装方式下的管道温升，故预热安装方式下，热胀变形量较小， 热胀变形的释放与管道补偿状态有关，有补偿管段的释放程度要 大于无补偿管段的释放程度。另一方面，局部失稳的可能性还与 管道的截面性有关，在轴向应变 相同的管道中，随着管壁的增厚而局部失稳的可能性减少，而随 着钢管平均半径的增大而局部失稳的可能性增大。计算方法如下 ： 计算极限状态应力时： rm
14、28.7 则：Z max334 MPa； rm28.7 则：Z max 9250(rm )+11.7 MPa； 计算极限状态温差时： rm28.7 则：T130； rm28.7 则：T3500(rm )+8 ； 式中：rm 钢管的平均半径，m； 钢管的壁厚，m； Z max 管道最大轴向应力，MPa； T 管道工作与安装温差，。 直埋供热管道发展 b) 椭圆化变形：验算土压力和车辆荷载作用下控制钢管截面 椭圆化变形的稳定条件，即保证钢管截面椭圆化变形不大于 钢管外径的30%。产生径向变形的主 要原因是管道上作用的垂直荷载，包括随埋深增加而加大的 土壤荷载和随埋深增加而减 小的车辆荷载。同样，还
15、与钢管的截面参数有关，在相同的 垂直荷载作用下，平均半径 越大，径向变形越大，管壁越厚，径向变形越小。当埋深较 浅或较深时，应适当加大钢 管的壁厚，这样才能保证局部失稳的要求。 第二章 现阶段直埋供热工程 现阶段直埋供热工程 直埋供热管道分为无补偿直埋敷设和有补偿直埋敷设。 无补偿直埋敷设又可分为冷安装无补偿、预应力无补偿。预 应力无补偿有分为机械拉伸、敞槽预热、一次补偿等多种形 式。预热方式又分为热水、热风和电热等。 一、直埋管的稳定性验算 （1）整体稳定性分析：直埋管最小覆土深度应满足垂直稳定 性要求，一般而言，大于DN700的直管道不必从垂直稳定性 考虑限制其埋深。 （2）局部稳定性分析
16、：公称直径不大于DN800、工作温差小 于85时，不会出现局部失稳；当供水温度大于130、公称 直径大于DN800时，采用标准壁厚的钢管，在锚固段可能会 出现局部皱结。 现阶段直埋供热工程 二、直埋管的强度验算 无补偿管段强度验算有两种强度验算理论：弹性分析法（第四强度理论）和安定 分析法（弹塑性分析，第三强度理论）。 直埋管的安定条件判断，根据应变大小可分为不发生任何塑性变（2s，| s，安定状态）、发生有限塑性变形（2s，|s安定状态），发生循环塑 性变形（2s，不安定状态） （1）极限分析：为防止管道出现塑性流动，必须保证一次应力小于屈服极限s 。考虑安全因素后，设计应保证一次应力不大于许用应力。 （2）安定分析：为使管道处于安定，必须保证一次应力（工作压力产生的内力， 包括轴向应力和环向应力）与二次应力（热应力，升温产生
