摘　要：结合工程实例，对直埋热水供热管道应力验算、稳定性验算及控制措施以及其他设计关键问题进行探讨，介绍了运行效果及有待改进内容。

关键词：直埋热水供热管道  应力验算  整体失稳  局部失稳  顶管  阀门井

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　工程概况

天津市西青区中北镇毗邻天津市区，是天津经济发展最活跃的地区之一。该区域占地12km²，总建筑面积约500×10⁴m²。区域内原有许多分散的小型燃煤锅炉房，不仅热效率低供热效果差，而且污染物排放严重。为减少环境污染，合理利用资源，创建一个优美的人居环境，镇政府决定取消这些分散的小型燃煤锅炉房，利用该区域南侧的华苑锅炉房实行集中供热。自华苑锅炉房敷设两条热水管线(分别为东线、西线)为中北镇的用户供热。

一级管网设计依据总体规划，结合当地情况，充分考虑今后的发展，力求合理布局，节省投资，经济实用。其中西线承担的供热面积约250×10⁴m²，设计供、回水温度为l30、70℃，供热管道最大规格为Æ820×10，设计压力为l.6MPa，单程长度约5500m，全程采用直埋有补偿敷设方式，沿途穿越铁路、公路各1次。本文针对西线，对直埋热水供热管道的关键设计问题进行探讨。

2　应力验算

对于预制直埋热水保温管道，CJJ／T 81—98《城镇直埋供热管道工程技术规程》明确规定应进行应力验算，判定是否允许直管段存在锚固段。判定条件为一次应力与二次应力共同作用下的当量应力不应大于3倍的钢材基本许用应力。

CJJ／T 81—98的适用范围是：供热介质温度小于或等于l50℃，公称直径小于或等于500mm的钢质内管、保温层、保护外壳结合为一体的预制直埋热水保温管道。这里对适用范围提出了两个限定条件，即温度限定条件、管径限定条件。

在这两个限定条件下，满足判定条件的直管段在布置时的长度是不受限制的，即允许管道存在锚固段，实现无补偿直埋敷设，当不满足判定条件时，管道应布置成过渡段，采用有补偿直埋敷设方式。由于西线工程的供热管道最大管径为DN800mm，不完全符合CJJ／T 81—98的适用范围，因此采用有补偿直埋敷设方式，选用直埋外压式波纹管补偿器进行补偿，防止管道的循环担性破坏^[1-2]。

3　稳定性验算及控制措施。

3．1　整体失稳验算

当管道处于较大轴向应力的状态时，由于立柱效应，将出现整体失稳。这就必须使管道达到足够的埋深，以保证稳定性。因此，对于直埋热水供热管道应进行竖向稳定性验算，主要是判断管道上方的土壤重量是否足以克服垂直向上的反力，防止地下管道失稳后从地面拱起。因此，单位管长的垂直载荷F应满足：

式中F——单位管长的垂直载荷，N／m

¦0——钢管的初始挠度，m，取0.01m

g——安全系数，取l.1

Fax——管道的轴向压力，N

E——钢材的弹性模量，MPa，取2×10⁵Mpa

I——管道截面的惯性矩，m⁴

对于被摩擦力完全锚固的管段有：

式中As——钢管的截面积，m²

a——钢材的线性膨胀系数，K^-1，取1.22×10^-5K^-1

Dt——从管道安装温度(0℃)到工作循环最高温度的温差，℃，取-120℃

u——钢材的泊松系数，取0.3

st——内压引起的环向应力，Mpa

PD——设计压力，MPa，为l.6Mpa

Ap——内压作用面积，m²

Do——钢管外直径，m，为0.82m

稳定时管道承受的垂直荷载见图l。由图1可知，单位管长的垂直载荷F的计算式为：

式中Ww——单位长度管道上部土层的有效重量，N／m

W——单位长度预制直埋热水保温管道的有效自重，N／m

Ff——单位长度静止土压力造成的剪切力，N／m

r——土壤的密度，kg／m³

g——重力加速度，m／s²

h——管中心至地面距离，m

do——预制直埋热水保温管外壳外直径，m

K0——土壤静压力系数，取0.5

j——土壤内摩擦角，(°)，取30°

对于Æ820×10管道，经计算校核，当管中心埋深为l.4m时，式(1)右端项的值远小于式(4)～(6)的计算结果，因此管中心埋深为l.4m满足竖向稳定条件^[4]。对于该工程，虽然增加管道埋深在一定程度上增加了施工量，设置补偿器又增加了管网的泄漏点，但结合该工程直管段大多处于过渡段的实际情况，增加管道埋深和设置补偿器是相对安全经济的。

3．2　局部失稳控制措施

局部失稳通常出现在承受较高轴向压力的管件以及管子截面内存在缺陷的部位。因此，为避免供热管道出现局部失稳可以采取以下措施：增加管件强度，采用材质和公称壁厚都符合设计要求的钢管，防止焊接过程中出现错口，选择优质的预制直埋保温管道，针对应力集中部位采取相应补强措施，避免出现事故工况下的阀门水击(指在关闭阀门的瞬间产生的轴向力向阀门两侧的固定支座传递，使固定支座瞬间受到较大的轴向力)。

预制直埋热水保温管道的质量至关重要。高密度聚乙烯外套管应具有较高的机械性能和优良的耐腐蚀性能，保温层内硬质聚氨酯泡沫塑料应饱满无空洞，并具有很好的粘接强度，使钢管、高密度聚乙烯外套管及保温层形成牢固的整体，在钢管热变形时不易产生剥离，有效利用土壤的摩擦力，减少补偿器的补偿位移和固定支座的受力。

应力集中通常发生在管道的弯头、三通、变径管、折角等处。在温度变化中，应力集中在管道结构不连续处产生峰值应力易引起管道的疲劳破坏，它是直埋热水供热管道破坏的最主要方式。在设计中，主要采取以下方法避免破坏的产生：①采用高强度管件，对三通处进行等面积补强；采用大曲率半径的煨制弯头，避免拐点处应力集中，以降低峰值应力。②设置固定支座阻止热胀变形向弯头、三通、变径管、阀门等管件的转移。③设置补偿器吸收热胀变形向应力集中的管件转移^[2]。

该工程共设置了3个分段阀门井，选用先进的电动对焊式硬密封三偏心蝶阀，能够实现在高温、高压的条件下运行无泄漏，阀门与管道焊接使阀门能够承受较大的轴向载荷。为避免阀门水击的发生，在供回水管道的各个主阀两侧设置旁通管及小口径的旁通阀。在事故工况下，先打开旁通阀，当主阀全关闭后再关闭旁通阀；在打开主阀前，先打开旁通阀，主阀全打开后再关闭旁通阀。

4　其他设计关键问题

由于波纹管补偿器采取靠近固定支座布置，固定支座单侧受力只有内压不平衡力、波纹管补偿器的弹性力，而不包括土壤的摩擦力。因此，在设计中可以根据管网走向及分支位置，在波纹管补偿器的最大安装范围内尽量增加固定支座之间的距离，提高波纹管补偿器的补偿能力，减少管网的事故点。固定支座的锚固法兰与管道的连接处易产生腐蚀，应进行加强级环氧煤沥青防腐^[5]。

穿越顶管既是施工难点也是设计关键点，该工程穿越顶管的地段分别在新津杨公路、某铁路货运支线。新津杨公路段地质条件差，土质松软，地下水位高，且多流沙。设计前，根据施工机械外形尺寸确定顶管工作坑的位置和大小，综合考虑设计埋深、公路部门要求、地下管道和地下构筑物的情况，确定顶管深度。根据现场的地质条件，采用矩形工作坑，密排钢桩，并采取有效支撑防止坍塌。工作坑底浇筑混凝土底板，修筑后座墙，并设多口降水井。顶管外套管采用钢筋混凝土管，橡胶圈防水接口，工作管采用预制直埋热水保温管道，管外捆绑塑料支撑块，随管道一同顶入外套管。

5　运行效果及有待改进内容

西线一级管网经过一个供暖期试运行(低负荷，不足总负荷的l0％)和一个供暖期的正式运行，安全稳定，效果良好，达到了设计要求。运行中也发现一个问题，由于地下水位高，阀门井存在渗水现象。针对这种现象，我们正在积极探索采用“预应力玻璃钢防水井”的解决方案。预应力玻璃钢防水井采用玻璃钢制作井壁，井内设备预先安装，最后形成整体与供热管道直接焊接。井口用橡胶圈密封，井体强度能够满足埋深要求，也可以采取减薄井壁与土建井体的联合施工。预应力玻璃钢防水井在试用中取得了良好的效果。

参考文献：

[1]臧洪泉，李晓恭，崔凯，等．穿越河流的热水供热管道设计计算[J]．煤气与热力，2013，33(4)：A19-A21．

[2]张海宁．供热管道直埋式波纹管补偿器的研发与应用[J]．煤气与热力，2012，32(1)：Al6-Al9．

[3]兰德劳夫皮．区域供热手册[M]．贺平，王钢，译．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，l998：75-76．

[4]王子德．供热管道直埋敷设的计算与设计[J]．煤气与热力，2002，22(5)：457-458．

[5]刘敏．供热管道固定支墩的设计[J]．煤气与热力，2004．24(2)：91-93．

本文作者：辛晓静　王红妹

作者单位：天津市津燃热电有限公司

  天津市燃气热力规划设计院