摘　要：結合工程實例，對直埋熱水供熱管道應力驗算、穩定性驗算及控制措施以及其他設計關鍵問題進行探討，介紹了運行效果及有待改進內容。

關鍵詞：直埋熱水供熱管道  應力驗算  整體失穩  局部失穩  頂管  閥門井

Discussion on Key Questions in Design of Directly Buried Hot-water Heat-supply Pipeline

Abstract：The key questions such as stress check，stability check，control measures and so on in design of directly buried hot-water heat-supply pipeline are discussed combined with an engineering example．The operation effect and matters to be improved are introduced．

Key words：directly buried hot-water heat-supply pipeline；stress check；overall instability；local instability；pipe jacking；valve well

1　工程概況

天津市西青區中北鎮毗鄰天津市區，是天津經濟發展最活躍的地區之一。該區域占地12km²，總建筑面積約500×10⁴m²。區域內原有許多分散的小型燃煤鍋爐房，不僅熱效率低供熱效果差，而且污染物排放嚴重。為減少環境污染，合理利用資源，創建一個優美的人居環境，鎮政府決定取消這些分散的小型燃煤鍋爐房，利用該區域南側的華苑鍋爐房實行集中供熱。自華苑鍋爐房敷設兩條熱水管線(分別為東線、西線)為中北鎮的用戶供熱。

一級管網設計依據總體規劃，結合當地情況，充分考慮今后的發展，力求合理布局，節省投資，經濟實用。其中西線承擔的供熱面積約250×10⁴m²，設計供、回水溫度為l30、70℃，供熱管道最大規格為Æ820×10，設計壓力為l.6MPa，單程長度約5500m，全程采用直埋有補償敷設方式，沿途穿越鐵路、公路各1次。本文針對西線，對直埋熱水供熱管道的關鍵設計問題進行探討。

2　應力驗算

對于預制直埋熱水保溫管道，CJJ／T 81—98《城鎮直埋供熱管道工程技術規程》明確規定應進行應力驗算，判定是否允許直管段存在錨固段。判定條件為一次應力與二次應力共同作用下的當量應力不應大于3倍的鋼材基本許用應力。

CJJ／T 81—98的適用范圍是：供熱介質溫度小于或等于l50℃，公稱直徑小于或等于500mm的鋼質內管、保溫層、保護外殼結合為一體的預制直埋熱水保溫管道。這里對適用范圍提出了兩個限定條件，即溫度限定條件、管徑限定條件。

在這兩個限定條件下，滿足判定條件的直管段在布置時的長度是不受限制的，即允許管道存在錨固段，實現無補償直埋敷設，當不滿足判定條件時，管道應布置成過渡段，采用有補償直埋敷設方式。由于西線工程的供熱管道最大管徑為DN800mm，不完全符合CJJ／T 81—98的適用范圍，因此采用有補償直埋敷設方式，選用直埋外壓式波紋管補償器進行補償，防止管道的循環擔性破壞^[1-2]。

3　穩定性驗算及控制措施。

3．1　整體失穩驗算

當管道處于較大軸向應力的狀態時，由于立柱效應，將出現整體失穩。這就必須使管道達到足夠的埋深，以保證穩定性。因此，對于直埋熱水供熱管道應進行豎向穩定性驗算，主要是判斷管道上方的土壤重量是否足以克服垂直向上的反力，防止地下管道失穩后從地面拱起。因此，單位管長的垂直載荷F應滿足：

式中F——單位管長的垂直載荷，N／m

¦0——鋼管的初始撓度，m，取0.01m

g——安全系數，取l.1

Fax——管道的軸向壓力，N

E——鋼材的彈性模量，MPa，取2×10⁵Mpa

I——管道截面的慣性矩，m⁴

對于被摩擦力完全錨固的管段有：

式中As——鋼管的截面積，m²

a——鋼材的線性膨脹系數，K^-1，取1.22×10^-5K^-1

Dt——從管道安裝溫度(0℃)到工作循環最高溫度的溫差，℃，取-120℃

u——鋼材的泊松系數，取0.3

st——內壓引起的環向應力，Mpa

PD——設計壓力，MPa，為l.6Mpa

Ap——內壓作用面積，m²

Do——鋼管外直徑，m，為0.82m

穩定時管道承受的垂直荷載見圖l。由圖1可知，單位管長的垂直載荷F的計算式為：

式中Ww——單位長度管道上部土層的有效重量，N／m

W——單位長度預制直埋熱水保溫管道的有效自重，N／m

Ff——單位長度靜止土壓力造成的剪切力，N／m

r——土壤的密度，kg／m³

g——重力加速度，m／s²

h——管中心至地面距離，m

do——預制直埋熱水保溫管外殼外直徑，m

K0——土壤靜壓力系數，取0.5

j——土壤內摩擦角，(°)，取30°

對于Æ820×10管道，經計算校核，當管中心埋深為l.4m時，式(1)右端項的值遠小于式(4)～(6)的計算結果，因此管中心埋深為l.4m滿足豎向穩定條件^[4]。對于該工程，雖然增加管道埋深在一定程度上增加了施工量，設置補償器又增加了管網的泄漏點，但結合該工程直管段大多處于過渡段的實際情況，增加管道埋深和設置補償器是相對安全經濟的。

3．2　局部失穩控制措施

局部失穩通常出現在承受較高軸向壓力的管件以及管子截面內存在缺陷的部位。因此，為避免供熱管道出現局部失穩可以采取以下措施：增加管件強度，采用材質和公稱壁厚都符合設計要求的鋼管，防止焊接過程中出現錯口，選擇優質的預制直埋保溫管道，針對應力集中部位采取相應補強措施，避免出現事故工況下的閥門水擊(指在關閉閥門的瞬間產生的軸向力向閥門兩側的固定支座傳遞，使固定支座瞬間受到較大的軸向力)。

預制直埋熱水保溫管道的質量至關重要。高密度聚乙烯外套管應具有較高的機械性能和優良的耐腐蝕性能，保溫層內硬質聚氨酯泡沫塑料應飽滿無空洞，并具有很好的粘接強度，使鋼管、高密度聚乙烯外套管及保溫層形成牢固的整體，在鋼管熱變形時不易產生剝離，有效利用土壤的摩擦力，減少補償器的補償位移和固定支座的受力。

應力集中通常發生在管道的彎頭、三通、變徑管、折角等處。在溫度變化中，應力集中在管道結構不連續處產生峰值應力易引起管道的疲勞破壞，它是直埋熱水供熱管道破壞的最主要方式。在設計中，主要采取以下方法避免破壞的產生：①采用高強度管件，對三通處進行等面積補強；采用大曲率半徑的煨制彎頭，避免拐點處應力集中，以降低峰值應力。②設置固定支座阻止熱脹變形向彎頭、三通、變徑管、閥門等管件的轉移。③設置補償器吸收熱脹變形向應力集中的管件轉移^[2]。

該工程共設置了3個分段閥門井，選用先進的電動對焊式硬密封三偏心蝶閥，能夠實現在高溫、高壓的條件下運行無泄漏，閥門與管道焊接使閥門能夠承受較大的軸向載荷。為避免閥門水擊的發生，在供回水管道的各個主閥兩側設置旁通管及小口徑的旁通閥。在事故工況下，先打開旁通閥，當主閥全關閉后再關閉旁通閥；在打開主閥前，先打開旁通閥，主閥全打開后再關閉旁通閥。

4　其他設計關鍵問題

由于波紋管補償器采取靠近固定支座布置，固定支座單側受力只有內壓不平衡力、波紋管補償器的彈性力，而不包括土壤的摩擦力。因此，在設計中可以根據管網走向及分支位置，在波紋管補償器的最大安裝范圍內盡量增加固定支座之間的距離，提高波紋管補償器的補償能力，減少管網的事故點。固定支座的錨固法蘭與管道的連接處易產生腐蝕，應進行加強級環氧煤瀝青防腐^[5]。

穿越頂管既是施工難點也是設計關鍵點，該工程穿越頂管的地段分別在新津楊公路、某鐵路貨運支線。新津楊公路段地質條件差，土質松軟，地下水位高，且多流沙。設計前，根據施工機械外形尺寸確定頂管工作坑的位置和大小，綜合考慮設計埋深、公路部門要求、地下管道和地下構筑物的情況，確定頂管深度。根據現場的地質條件，采用矩形工作坑，密排鋼樁，并采取有效支撐防止坍塌。工作坑底澆筑混凝土底板，修筑后座墻，并設多口降水井。頂管外套管采用鋼筋混凝土管，橡膠圈防水接口，工作管采用預制直埋熱水保溫管道，管外捆綁塑料支撐塊，隨管道一同頂入外套管。

5　運行效果及有待改進內容

西線一級管網經過一個供暖期試運行(低負荷，不足總負荷的l0％)和一個供暖期的正式運行，安全穩定，效果良好，達到了設計要求。運行中也發現一個問題，由于地下水位高，閥門井存在滲水現象。針對這種現象，我們正在積極探索采用“預應力玻璃鋼防水井”的解決方案。預應力玻璃鋼防水井采用玻璃鋼制作井壁，井內設備預先安裝，最后形成整體與供熱管道直接焊接。井口用橡膠圈密封，井體強度能夠滿足埋深要求，也可以采取減薄井壁與土建井體的聯合施工。預應力玻璃鋼防水井在試用中取得了良好的效果。

參考文獻：

[1]臧洪泉，李曉恭，崔凱，等．穿越河流的熱水供熱管道設計計算[J]．煤氣與熱力，2013，33(4)：A19-A21．

[2]張海寧．供熱管道直埋式波紋管補償器的研發與應用[J]．煤氣與熱力，2012，32(1)：Al6-Al9．

[3]蘭德勞夫皮．區域供熱手冊[M]．賀平，王鋼，譯．哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，l998：75-76．

[4]王子德．供熱管道直埋敷設的計算與設計[J]．煤氣與熱力，2002，22(5)：457-458．

[5]劉敏．供熱管道固定支墩的設計[J]．煤氣與熱力，2004．24(2)：91-93．

本文作者：辛曉靜　王紅妹

作者單位：天津市津燃熱電有限公司

  天津市燃氣熱力規劃設計院