直埋供热管道直管段最大过渡段长度的影响因素

王兴华，成红娟

（1.兰州市城市建设设计院，甘肃 兰州 730050；2.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070）

随着基础经济建设的快速发展，直埋热力管道敷设方式在城市集中供热项目中得到大量应用，而确定直埋供热管道是处于锚固段还是过渡段对管道应力分析显得尤为重要，直管段最大过渡段长度是确定直埋管道锚固点位置、计算管道热伸长量的重要依据。文章采用应力分类法[1～3]从管道规格、管顶覆土深度、运行条件等方面分析各因素对直管段最大过渡段长度的影响，以便为直埋供热管道的设计工作提供参考和指导。

1 计算方法

1.1 钢材的许用应力

式中：[σ]为钢材的许用应力（MPa），取上述两式计算较小值；σb为钢材的抗拉强度最小值（MPa）；σs为钢材的屈服极限最小值（MPa）。

1.2 管道内压引起的环向应力

式中：σt为管道内压引起的环向应力（MPa）；Pd为管道计算压力（MPa）；Di为工作管内径（m）；δ为工作管公称壁厚（m）。

1.3 工作管的屈服温差

式中：△Ty为工作管屈服温差（℃）；n为屈服极限增强系数，取1.3；v为钢材的泊松系数，取0.3；α为钢材的线膨胀系数[m/（m·℃）]；E为钢材的弹性模量（MPa）。

1.4 土壤应力（管道中心线位于地下水位以上）

式中：σV为管道中心线处土壤应力（Pa）；ρ为土壤密度（kg/m3），可取 1800kg/m3；g 为重力加速度（m/s2）；H为管道中心线覆土深度。

1.5 单位长度最小摩擦力

式中：Fmin为单位长度最小摩擦力（N/m）；μmin为最小摩擦系数，中砂可取0.20；Dc为外护管外径（m）；G为包括介质在内的保温管单位长度自重（N/m）；ρ为土壤密度（kg/m3），可取 1800kg/m3；K0为土壤静压力系数；Φ为回填土内摩擦角（°），沙土可取30°。

1.6 直管段过渡段最大长度

式中：Lmax为直管段的过渡段最大长度（m）；α为钢材的线膨胀系数 [m/（m·℃）]；E为钢材的弹性模量（MPa）；t1为管道工作循环最高温度（℃）；t0为管道计算安装温度（℃）；v为钢材的泊松系数，取0.3；σt为管道内压引起的环向应力（MPa）；A为工作管管壁的横截面积（m2）；△Ty为工作管屈服温差（℃）。

2 影响因素分析

供热管网选用高密度聚乙烯聚氨酯预制直埋保温管[3]，钢管材质为Q235B。钢材的抗拉强度最小值 σb为 375MPa；钢材的屈服极限最小值 σs为235MPa，钢材的许用应力[σ]为 125MPa，钢材的弹性模量E为19.8×104MPa；钢材的线膨胀系数α为12.4×10-6m/（m·℃ ）。选取公称直径为 DN400、DN800、DN1000、DN1200的直埋供热管道进行计算分析，规格参数详表1。

表1 直埋供热管道规格表

2.1 管顶覆土深度的影响

在管道工作循环最高温度t1为130℃、管道计算安装温度t0为10℃的前提下，分别计算管顶覆土深度1.3～2.5m时四种规格供热管道的直管段过渡段最大长度，如图1所示。

图1 管顶覆土深度对直管段最大过渡段长度的影响

在相同管道覆土深度条件下，四种规格直埋供热管道直管段最大过渡段长度的大小关系为DN1200＞DN1000＞DN800＞DN400； 这是由于随着管径的增大，包括介质在内的保温管单位长度自重和管道内压引起的环向应力增大，从而使得单位长度最小摩擦力增大，导致在相同条件下直管段最大过渡段长度随着管径的增大而变短。随着管顶覆土深度的增加，四种规格直埋供热管道的直管段最大过渡段长度均减小，这是由于随着管顶覆土深度的增加，土壤应力增大，使得单位长度最小摩擦力增大，导致同一规格直埋供热管道的直管段最大过渡段长度随着管顶覆土深度的增加而变短。

2.2 管道工作循环最高温度的影响

在管道计算安装温度t0为10℃、管顶覆土深度为1.5m的前提下，分别计算管道工作循环最高温度t1为70℃～130℃时四种规格供热管道的直管段过渡段最大长度，如图2所示。

图2 管道工作循环最高温度对直管段最大过渡段长度的影响

在相同管道工作最高循环温度条件下，四种规格直埋供热管道直管段最大过渡段长度的大小关系为 DN1200＞DN1000＞DN800＞DN400。随着管道工作最高循环温度的升高，四种规格直埋供热管道的直管段最大过渡段长度均增加，这是由于随着管道工作最高循环温度的升高的升高，管道工作最高循环温度与管道计算安装温度的温差不断增大，在其他条件不发生变化的情况下，使得同一规格直埋供热管道的直管段最大过渡段长度随着管道工作最高循环温度的升高而变长。在管道工作最高循环温度≥115℃时，四种规格直埋供热管道直管段最大过渡段长度均不再随着管道工作最高循环温度的增大而发生变化，这是由于管道工作循环最高温度与管道计算安装温度的温差已大于工作管屈服温差△Ty，均以工作管屈服温差代替管道工作循环最高温度与管道计算安装温度的温差计算直管段最大过渡段长度。

3 结论及建议

直埋供热管道直管段最大过渡段长度受管道规格（工作管内径、公称壁厚、外护管外径）、管顶覆土深度、管道计算安装温度以及管道工作条件（计算压力、循环最高温度）等因素的综合影响。在直埋供热管道设计计算时，首先应落实热源厂提供的热源温度和压力，合理确定直埋供热管道的规格；然后根据供热管网规划路由、管位以及现有其他管道敷设情况，合理确定管顶覆土深度。只有综合考虑各种因素的影响，确定供热管道的直管段最大过渡段长度，合理布置补偿器和固定墩，降低初投资，保证直埋供热管道安全、可靠运行。