管道工程的技术研究与探讨

一、引言供热管网直埋无补偿技术――即直埋热水管道无补偿敷设技术。我国城市供热管道直埋无补偿技术起源于火力发电厂汽水管道上的应力分类法。早在上个世纪70年代，我国就已经开始采用通过对管道温度应力的安定性分析对直埋热水管道进行研究。在80年代，随着我国开始从北欧引进预制保温管，在直埋管网的设计中也相应地采用了北欧的弹性分析法进行直埋管网设计。在弹性理论下，直埋管道的直管段通常采用设置补偿器、固定支墩的管道安装方式。进入90年代以后，随着城市集中供热的发展及多年直埋热水管网运行经验的积累，我国的一些设计人员开始认识到弹性分析理论指导下的直埋热水管道设计过于保守，设计人员开始采用应力分析法进行直埋管道的强度设计。北欧供热行业也意识到了这一点，1996年版欧洲标准《区域供热整体式预制保温管的设计、计算和安装》，1997年出版的《集中供热手册》中则明确地提出了应力分类法。在唐山市热力公司、北京煤气热力工程设计院、哈尔滨建筑大学、沈阳热力工程设计研究院、中建二局安装公司、鸡西热力公司哈尔滨热力公司及中国矿业大学多家单位的努力下，历经六年，于1998年制定出了我国的国家行业标准《城镇直埋供热管道工程技术规程》（CJJ/T81－98），此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，1999年1月正式颁布，1999年6月1日正式起施行。此标准的颁布标志着我国直埋管道设计理论进入了国际先进水平。二、工程背景由于弹性分析理论的沿袭，有补偿设计及安装仍在供热管网占有较大比重，致使直埋无补偿技术至今没有得到全面推广和普及。2005年建设部218号公告中将直埋热水管道无补偿敷设技术确定为推广技术项目。明确了直埋供热管道工程的设计原则是使预制保温管系统中的管道、管件在设计条件下均能满足相应标准强度条件和稳定性要求，从而确保供热管道系统处于安全状态。供热管网直埋无补偿技术目前在技术上成熟，近几年在许多大型的新建集中供热工程中都得到了广泛的应用，在长春一汽的一次高温水网、乌鲁木齐集中供热的一次高温水网、辽宁营口热力公司集中供热网管及黑龙江宝清集中供热管网中都得到了良好的应用。在内蒙古地区“无补偿直埋”供热大管径管道工程的应用也逐渐发展起来，例如乌海的集中供热一期工程、呼和浩特集中供热三期工程、鄂尔多斯集中供热工程等在运行过程中都有较好的效果。虽然在某市某区发生了“无补偿直埋”供热管道工程隆起、屈曲并皱裂事故，但是也得到了较好的解决。三、无补偿直埋技术的发展(1)上世纪70年代应力分类法在国外及国内压力容器和汽水管道设计标准中应用。(2)1974年开始热水管道直埋敷设的试验研究，发现按传统的强度设计理论，固定支架、补偿器比管沟敷设多一倍，不能发挥直埋的优势。(3)1976年五家单位合作在热力管道无补偿直埋敷设试验研究中应用应力分类法和安定性分析进行无补偿的理论研究和现场实测，证实了采用应力分类法理论计算结果的正确性。(4)1980年五家单位合作完成的《热力管道无补偿直埋敷设试验研究》课题通过鉴定，1981年获得北京市科技成果二等奖。(5)80年代按照无补偿冷安装方法设计、采用沥青珍珠岩预制整体保温管敷设的几十项直埋热水管道工程投入运行。(6)80年代中期我国从北欧引进生产的预制高密度聚乙烯外护聚氨酯保温管开始工程中应用，采用预热安装方式。(7)90年代《欧洲区域供热手册》推荐直埋敷设热水管道优先采用无补偿冷安装方式。(8)1993年ABB公司的供热手册中介绍的直埋敷设热水管网冷安装方式，可不进行预应力和补偿，而应在运行温度130～140℃的直埋热管上，其轴向应力已超出了弹性分析的范畴。[57](9)1996年版欧洲标准《区域供热整体式是预制保温管的设计、计算和安装》，1997年出版的《集中供热手册》中则明确提出了应力分类法。(10)1999年建设部发布实施行业标准《城镇直埋供热管道工程技术规程》CJJ/T81-98，规程规定采用应力分类法进行管道强度验算，适用于热水管道无补偿冷安装直埋敷设。1、研究目的由于我国的“无补偿直埋”小管径管道的应用较为普遍，相关的研究也较多，我国也相应推出了我国的国家行业标准《城镇直埋供热管道工程技术规程》（CJJ/T81－98），也是较为成熟的技术，但是对于“无补偿直埋”大管径管道的研究较少，也没有相应的法律法规，但是在一些工程上有些设计、施工单位也尝试着采用“无补偿直埋”大管径管道，经济效益是显著的，但是同时也存在很多的问题，结合我区现有的已经实施的和即将实施的“无补偿直埋”大管径管道工程进行总结，根据实际运行情况及已发生的情况，加以总结，来填补这一领域的空白。四、研究目的和意义•根据我国“无补偿直埋”大管径管道的实际情况并结合我区相应得实际工程，总结“无补偿直埋”大管径管道在实际工程中的应用价值，并在大范围内推广“无补偿直埋”大管径管道工程的技术方面给与一定的支持和辅助，最后通过总结、归纳，实现理论提升，使提出的“无补偿直埋”供热大管径管道工程对自治区，乃至全国的发展具有指导意义。•无补偿预热直埋是一种可靠性高、造价低的敷设方式，目前在工程应用中预热普遍以水作为介质，由于受水的热物理性质的限制，在预热中尤其对于大口径供热管道产生了诸如预热时间过长、水的自重影响热膨胀等缺点，这些缺点在一定程度上也制约了此种敷设方式在工程中的应用，而采用空气作为预热介质不仅可以较好的解决以上问题，而且对于宝贵的水资源也是一个极大的节约。在其他省市地区这种方式应用较为理想。倡导并论证“无补偿直埋保温管的热风预热技术”等一些先进技术在内蒙古自治区的实际应用的可行性是十分必要。2、研究意义五、敷设分类：5.1有补偿直埋敷设有补偿直埋敷设管线最大的特点就是安装了补偿器用来吸收热胀变形产生的热位移从而降低了供热时管道所受到的应力，使其满足应力分析的强度条件。5.1.1设计方法有补偿直埋敷设热水供热管线的设计方法比较简单，对管道的应力验算采用了弹性分析理论，只计算作用在管道上所受应力的合应力，分析管线受综合应力的影响。同时弹性分析理论有自身的弊端，荷载会引起一定的应力、应变，将应力、应变控制在一定范围内，再加上足够的安全余量作为限定值。[64]只要管道任一载面上的应力小于此限定值即钢材的许用应力即可安装敷设，但这种方式并未充分发挥管道自身的负荷能力，造成了多余的浪费。5.1.2补偿器的原理及作用补偿器是一种具有很强伸缩性能的挠性元件或管子的特殊构造。由于弹性分析理论在管道分析设计中的不尽完美，使得补偿器在直埋敷设热水供热管道中成为必然，例如波纹补偿器利用自身的伸缩性能来吸收管子的热位移或承受管道内压缩产生的强大推力从而降低了管段的应力将其控制在应力计算所允许的极限范围内。除了补偿设备以外还有一些管道的特殊构造也能起到补偿作用，例如几字弯头和三通，当管道受热或遇冷时会受到强大的温度应力，而这些弯曲部位则可以通过自由变形吸收热位移来减少管段的应力。通过这两种方式，管道都可得以处于过渡段，受热或遇冷时自由伸长或缩短。5.1.3施工难度及运行原理根据有补偿直埋敷设的设计理念，管道是靠补偿器的伸缩来降低温度应力的，而相邻两补偿器的距离不宜过长，所以需设置较多的补偿器和固定支座，因此施工安装很复杂。而且大量的固定支座的使用使保温层的断点增多，断点处的保温层很容易被破坏，长时间埋在地下钢管会很容易被腐蚀，导致整个热水管网瘫痪，影响供热系统的运行，增加了维修费用。•5.2一次性补偿直埋敷设供热管道•供热管道的一次性补偿，介于有补偿和无补偿之间。一次性补偿安装方式虽然加补偿器，但补偿器只在预热时吸收热应力起到补偿作用。但是在预热结束后就把补偿器与管道焊死，使之与管道整合，以后再也不起补偿作用。•(1)设计方法•它应用了安定性分析和弹性分析两种设计方法，弹性分析法的应用限制了管材自身承载能力的充分发挥。因温差而产生的二次应力可以采用安定性分析方法，只要弹性变形仍控制在弹性范围内，管道是不会被破坏的。•(2)预热•热水供热管道的一次性补偿直埋敷设技术的预热同预应力无补偿直埋是相类似的。通过对管道预热使之升温到设计预热温度。当管道伸长量达到设计伸长量时将补偿器焊死。两补偿器间的应力水平将高于补偿器处的应力，以后随温度的升高，管道内应力将逐渐趋于一致。这样，补偿器只在预热时起到补偿回缩量的作用，在以后运行中并无补偿作用。•一次性补偿安装方式，只是补偿了管道在预热时的应变。如果管道的最大温升温降控制在一定温差范围之内，是可以取消补偿器的。因为低于的温度变化不会使轴向应力超过钢材的许用应力，即可采用热应力无补偿方式安装。•5.3无补偿直埋敷设•5.3.1分类•无补偿直埋管道中热胀变形不能完全释放产生了应力。所以我们可以选择不同的安装方式来改变热胀变形的大小和变形的释放程度进而改变管道的应力水平。零应力状态对应的温度影响着热胀变形的程度。零应力状态温度越高热胀变形程度就越小，据此温度可将管道划分为：冷安装，零应力状态对应的温度等于环境温度；预应力安装：零应力状态对应的温度等于预热温度。•5.3.2零应力无补偿直埋敷设•(1)设计方法•冷安装无补偿直埋敷设的设计方法比较复杂采用了应力分类法对管道的受力做了精细划分与解析。根据由不同特性的荷载产生的应力状态和对管道破坏的影响，对管道上不同的应力形态分别给予相应的限定值。应力分类法将计算应力划分成一次应力，二次应力及峰值应力，分别采用弹性分析理论、安定性分析理论及疲劳分析理论进行分析[。•(2)布置方式•按无补偿冷安装直埋敷设的设计理论，在热水供热管网的工作温度范围内，当管道热伸长受阻产生的温度应力能够满足安定性分析的强度条件时，从管道强度角度考虑，管网中可不设补偿器。但由于某些管件的强度或对产生热位移的限制，需要根据现场条件采取适当的保护措施，可设置少量的补偿器及固定支柱。因此管网占用空间少，布置形式简单，保温管整体连续性，防水性好[64]。•5.3.3预应力无补偿直埋•１、预应力无补偿直埋敷设技术采用了安定性分析的设计方法。安定性分析法运用了第三强度和第四强度理论，涉及了塑性变形，需要先判别材料某一点呈现塑性变形时的应力所应当满足的塑性条件，要求应力和应变在弹性范围内变化，当管道的部分材料进入屈服区间而产生较小变化时，由于满足了变化协调条件，变形程度就不再发展。它允许若干次塑性变形，只要不产生循环多次的塑性变形，管道是不会受到破坏的，对于某一次的升温，只要将管道的塑性变形控制在屈服极限内，即使产生塑性变形也可以安全运行。与弹性分析法相对，安定性分析法采用预热温度和循环终温（运行温度）之差作为计算温差，与安装温度无关。综上所述，在分析与计算中应考虑各种载荷随温度升高或降低而变化所产生的相对应力变化量，考虑安全裕度后，将此应力变化应控制在1.35倍基本许用应力内。•２、预热安装方式有两种：敞沟预热和覆土预热。•（1）敞沟预热•先将管道置于沟中，在覆土前先预热，预热温度控制在循环中间温度以上，据芬兰KWH安装手册预热温度，这是为了防止管子升温时所受应力超过因高温而下降的屈服极限。预热时，随温度升高管道会不断伸长，当温度达到预热温度且管道伸长量达到设计值时，在维持恒定的预热温度下，将相邻两管道活动端焊死，预热完毕再覆土，注意管道外围一层砂土以保证有足够的摩察力与温度应力相平衡，管道内应力达到平均应力水平，此后，不论管道是升温还是降温，在其它因素满足稳定条件情况下，只要预热温度设计合理，因此而产生的温度应力、内部水的压力以及土壤的压力和摩擦力等多种力的综合作用下，管道产生的自应力都能维持在屈服极限范围内不会引起破坏。•（2）覆土预热•顾名思义，当然是先覆土后预热。覆土时要注意管段两端附近必须敞沟。此外考虑到三通弯头在预热时会发生位移，而且由于结构不连续会产生峰值应力很容易超过屈服极限造成破坏，在覆土时也应在三通弯头附近敞槽，当升温达到预热温度时再覆土。考虑到管道要克服摩擦力，覆土预热温度应为循环中间温度再加上附加温度，附加温度与钢材的材料及横截面积有关。管道预热覆土前的受力分析管道自然状态的受力分析：管道预热覆土后的受力分析管