摘要：本文主要討論了發(fā)電廠(chǎng)直埋供熱管道的設計與施工理論。首先分析管道系統承受的作用（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域供熱管網(wǎng)推薦的一種敷設方式，其與傳統的地溝敷設方法相比具有占地少、施工周期短、維護量小、節約投資、壽命長(cháng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)

　　所有使管道產(chǎn)生內力及應力的因素都稱(chēng)為作用（又稱(chēng)荷載）。不同類(lèi)型的作用，使管道產(chǎn)生不同性質(zhì)的應力，進(jìn)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處會(huì )產(chǎn)生應力集中，對應的應力稱(chēng)為峰值應力。峰值應力不會(huì )引起顯著(zhù)的變形．但循環(huán)變化的峰值應力，也會(huì )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(méi)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(chēng)壁厚要遠遠大于該壓力所需的設計壁厚，內壓產(chǎn)生的實(shí)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。

　�。ǘ�）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(wèn)變化時(shí)，所產(chǎn)生的應力變化是循環(huán)塑性破壞的起因。無(wú)論是錨固狀態(tài)的管道，還是滑動(dòng)狀態(tài)的管道，應力變化都與安裝溫度無(wú)關(guān)，故預應力安裝不解決冷安裝的循環(huán)塑性破壞的問(wèn)題。當錨固狀態(tài)的直管段滿(mǎn)足不產(chǎn)生循環(huán)塑性破壞的安定性條件時(shí)，錨固狀態(tài)的管道允許存在，該直管段可以采用無(wú)補償安裝方式，當然包括了無(wú)補償冷安裝方式。否則，應在該直管段設置補償裝置，并通過(guò)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(shí)，該直管段就變成有補償安裝方式。

　　2.防止整體失穩破壞的方法

　　在進(jìn)行直埋供熱管道設計時(shí)，除考慮循環(huán)塑性破壞外，還要考慮穩定性問(wèn)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(shí)，所產(chǎn)生的升溫軸向壓力是整體失穩破壞的起因。在冷安裝條件下，錨固的直管段滿(mǎn)足穩定性條件時(shí)，該直管段可采用無(wú)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(wú)補償冷安裝方式都能保證不出現循環(huán)塑性破壞；當埋深在1米以下時(shí)，還能保證不出現整體失穩。由于一般的熱網(wǎng)都可滿(mǎn)足上述條件，故從直管段強度的角度，采用無(wú)補償冷安裝方式是沒(méi)有問(wèn)題的。但是，從保護三通、彎頭、折角、大小頭和閥門(mén)等薄弱部件以及減小固定墩推力的角度，有時(shí)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，由于只能解決穩定性的問(wèn)題，而通過(guò)增加覆土深度或設置補償裝置解決穩定性問(wèn)題，通常會(huì )更經(jīng)濟一些，故預應力安裝方式的使用變得越來(lái)越少。

　　二、直埋供熱管道的施工方法

　�。ㄒ唬┲甭窆�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(guò)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(jìn)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(guān)，零應力狀態(tài)溫度的提高，可降低熱脹變形的大小。根據此溫度是否等于安裝時(shí)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(shí)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。根據熱脹變形能否釋放，管道又可分為兩種。無(wú)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(dòng)狀態(tài)的管道（滑動(dòng)段），其熱脹變形能被補償裝置所吸收。

　　1.無(wú)補償冷安裝

　　管道回填時(shí)，既不進(jìn)行預應力，也不進(jìn)行補償，溫度變化時(shí)管段處于不動(dòng)的錨固狀態(tài)。無(wú)補償冷安裝是最簡(jiǎn)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(mǎn)足強度條件時(shí)，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(shí)，補償裝置附近處于滑動(dòng)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(diǎn)。因此，應避免在整個(gè)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(shí)質(zhì)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(shí)，管道應力為零。而當管道溫度恢復至環(huán)境溫度時(shí)，使管道產(chǎn)生預應力效果�？梢酝ㄟ^(guò)預熱的方式和采用一次性補償器的方式來(lái)實(shí)現預應力安裝方式：（1）預熱方式是管道在回填前進(jìn)行預熱，加熱到預熱溫度時(shí)進(jìn)行回填，立即可產(chǎn)生預應力效果。采用預熱方式時(shí)，應具備預熱熱源，同時(shí)現場(chǎng)條件允許管溝敞口。（2）采用一次性補償器的方式時(shí)，管道安裝后可立即回填。在首次加熱過(guò)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(shí)，就可焊接該一次性補償器。通過(guò)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(shí)，應主要從抗疲勞性能來(lái)考慮。這就要求選擇塑性比較好、易焊接的材質(zhì)，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(wú)關(guān)，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(guò)渡段的熱伸長(cháng)量。因此，管壁應盡可能選擇較薄的規格。在實(shí)際工程中有時(shí)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格。此時(shí)，應注意避免不同規格的管子混合使用。

　　2.管道的布置

　　直埋供熱管道的布置應符合國家現行標準《城市熱力網(wǎng)設計規范》的有關(guān)規定。直埋供熱管道穿越河底的覆土深度應根據水流沖刷條件和管道穩定性條件確定。直埋供熱管道上的閥門(mén)應能承受管道的軸向荷載，宜采用鋼制閥門(mén)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(shí)，在分支管上應設固定墩或軸向補償器或彎管補償器，并應符合下列規定：分支點(diǎn)至支線(xiàn)上固定墩的距離不宜大干5m，分支點(diǎn)至軸向補償器或彎管的距離不宜大于20 m，分支點(diǎn)有干線(xiàn)軸向位移時(shí)，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(jìn)行驗算，驗算不通過(guò)時(shí)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(shí)，可采取設置補償器或對管道進(jìn)行預處理等措施。當地基軟硬不一致時(shí)，應對地基做過(guò)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(xiàn)應一致，距補償器12m范圍內管段不應有變坡和轉角。