城镇供热直埋供热管道设计规程

1、LOGO城镇供热直埋供热管道设计规程城镇供热直埋供热管道设计规程讲课人:于喆目录直埋供热管道发展1现阶段直埋供热工程2供热直埋土壤摩擦系数3供热直管段应力验算4固定墩应力验算第一章直埋供热管道发展直埋供热管道发展一、供热管道发展史一、供热管道发展史 国内外直埋技术的发展已有国内外直埋技术的发展已有 60余年的历史，由于直埋管道具余年的历史，由于直埋管道具有不影响环境美化、施工简便、工期短、维修工作量少的特点，有不影响环境美化、施工简便、工期短、维修工作量少的特点，因此特别是近三十年来热水供热管道直埋敷设因此特别是近三十年来热水供热管道直埋敷设发展迅速，相应形成了一整套直埋敷设的设计原理和计算方

2、法。发展迅速，相应形成了一整套直埋敷设的设计原理和计算方法。 80年代初，我国首次在一些城市的热网工程中采用从北欧国年代初，我国首次在一些城市的热网工程中采用从北欧国家引进的直埋保温管进行直埋敷设，经历了二十年的发展，无论家引进的直埋保温管进行直埋敷设，经历了二十年的发展，无论在预制保温管的生产和安装技术上，还是在直埋供热管网的设计在预制保温管的生产和安装技术上，还是在直埋供热管网的设计理论和方法上，我国的供热管道直埋技术都得到了飞速发展，直理论和方法上，我国的供热管道直埋技术都得到了飞速发展，直埋敷设现已成为我国城市热网的主要敷设方式。埋敷设现已成为我国城市热网的主要敷设方式。早在早在 70

3、年代，北京煤气热力设计研究院就将当时已应用于火力发年代，北京煤气热力设计研究院就将当时已应用于火力发电厂汽水管道上的应力分类法推广到直埋供热管网上，其最显著电厂汽水管道上的应力分类法推广到直埋供热管网上，其最显著的特点是对温度应力采用安定性分析，这样，直管段通常可采用的特点是对温度应力采用安定性分析，这样，直管段通常可采用既不预热也不补偿的无补偿冷安装方式。然而，在既不预热也不补偿的无补偿冷安装方式。然而，在 80年代中，我年代中，我国很多的直埋供热管网使用的都是从北欧引进的预制保温管，这国很多的直埋供热管网使用的都是从北欧引进的预制保温管，这样，很多设计单位也相应地采用了北欧的弹性分析法进行

4、直埋管样，很多设计单位也相应地采用了北欧的弹性分析法进行直埋管网设计。采用弹性分析时，为保证管道始终处于弹性状态，直管网设计。采用弹性分析时，为保证管道始终处于弹性状态，直管段通常要采用设置补偿装置、预热或设置一次性补偿器的安装方段通常要采用设置补偿装置、预热或设置一次性补偿器的安装方式。式。 直埋供热管道发展 进入进入 90年代，多年的直埋热网运行经验，让我国大多数年代，多年的直埋热网运行经验，让我国大多数设计人员认识到，在直管段对温度应力采用弹性分析的确过设计人员认识到，在直管段对温度应力采用弹性分析的确过于保守，越来越多的设计人员开始应力分类法进行直埋管道于保守，越来越多的设计人员开始应

5、力分类法进行直埋管道的强度设计。此时，北欧也已意识到这一点，的强度设计。此时，北欧也已意识到这一点，1993年版的年版的ABB供热手册中介绍了一种管道应力已超过弹性范围的供热手册中介绍了一种管道应力已超过弹性范围的冷安装方式，接着在冷安装方式，接着在 1996年版的欧洲标准区域供热整体式年版的欧洲标准区域供热整体式预制保温管的设计、计算和安装和预制保温管的设计、计算和安装和 1997年为解释该标准而年为解释该标准而出版的集中供热手册中则明确地提出应力分类法。出版的集中供热手册中则明确地提出应力分类法。 1999年，在唐山市热力公司、北京市煤气热力设计研究年，在唐山市热力公司、北京市煤气热力设计

6、研究院、哈尔滨建筑大学和沈阳市热力设计研究院等单位的努力院、哈尔滨建筑大学和沈阳市热力设计研究院等单位的努力下，历经六年的国家行业标准城镇直埋供热管道工程技术下，历经六年的国家行业标准城镇直埋供热管道工程技术规程（规程（CJJ/T81-98）颁布实施，标准明确规定了采用应力）颁布实施，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，标准的颁布也标志着分类法进行直埋热力管道的强度设计，标准的颁布也标志着我国直埋管道设计理论进入了国际先进水平。但目前国内我国直埋管道设计理论进入了国际先进水平。但目前国内规程中所给定的管道受力等计算图表中数据均限制管径规程中所给定的管道受力等计算图表中数据均

7、限制管径在在 DN500以下。然而随着我国供热事业的飞速发展，规程适以下。然而随着我国供热事业的飞速发展，规程适用范围不能满足实际热网的需要，城市热网的最大管径都超用范围不能满足实际热网的需要，城市热网的最大管径都超过过DN500。因此必须找到一种能适用于大口径直埋管道的设。因此必须找到一种能适用于大口径直埋管道的设计方法。计方法。 进入进入 90年代，多年的直埋热网运行经验，让我国大多数年代，多年的直埋热网运行经验，让我国大多数设计人员认识到，在直管段对温度应力采用弹性分析的确过设计人员认识到，在直管段对温度应力采用弹性分析的确过于保守，越来越多的设计人员开始应力分类法进行直埋管道于保守，越

8、来越多的设计人员开始应力分类法进行直埋管道的强度设计。此时，北欧也已意识到这一点，的强度设计。此时，北欧也已意识到这一点，1993年版的年版的ABB供热手册中介绍了一种管道应力已超过弹性范围的供热手册中介绍了一种管道应力已超过弹性范围的冷安装方式，接着在冷安装方式，接着在 1996年版的欧洲标准区域供热整体式年版的欧洲标准区域供热整体式预制保温管的设计、计算和安装和预制保温管的设计、计算和安装和 1997年为解释该标准而年为解释该标准而出版的集中供热手册中则明确地提出应力分类法。出版的集中供热手册中则明确地提出应力分类法。 1999年，在唐山市热力公司、北京市煤气热力设计研究年，在唐山市热力公

9、司、北京市煤气热力设计研究院、哈尔滨建筑大学和沈阳市热力设计研究院等单位的努力院、哈尔滨建筑大学和沈阳市热力设计研究院等单位的努力下，历经六年的国家行业标准城镇直埋供热管道工程技术下，历经六年的国家行业标准城镇直埋供热管道工程技术规程（规程（CJJ/T81-98）颁布实施，标准明确规定了采用应力）颁布实施，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，标准的颁布也标志着分类法进行直埋热力管道的强度设计，标准的颁布也标志着我国直埋管道设计理论进入了国际先进水平。但目前国内我国直埋管道设计理论进入了国际先进水平。但目前国内规程中所给定的管道受力等计算图表中数据均限制管径规程中所给定的管道

10、受力等计算图表中数据均限制管径在在 DN500以下。然而随着我国供热事业的飞速发展，规程适以下。然而随着我国供热事业的飞速发展，规程适用范围不能满足实际热网的需要，城市热网的最大管径都超用范围不能满足实际热网的需要，城市热网的最大管径都超过过DN500。因此必须找到一种能适用于大口径直埋管道的设。因此必须找到一种能适用于大口径直埋管道的设计方法。计方法。 直埋供热管道发展直埋供热管道发展二、直埋供热管道应力二、直埋供热管道应力 对于直埋管道来说无论其管径多大，管道所产生的应力对于直埋管道来说无论其管径多大，管道所产生的应力主要是管内介质的内压力和管道发生轴向位移时的土壤轴向主要是管内介质的内压

11、力和管道发生轴向位移时的土壤轴向摩擦力，还有管道发生侧向位移时的土壤侧向压缩反力。内摩擦力，还有管道发生侧向位移时的土壤侧向压缩反力。内压力所产生的一次应力和土壤侧向压缩反力引起的管道二次压力所产生的一次应力和土壤侧向压缩反力引起的管道二次应力的计算方法按照现有的应力的计算方法按照现有的城镇直埋供热管道工程技术规城镇直埋供热管道工程技术规程程（CJJ/T81-98）进行计算，但土壤轴向摩擦力引起的一）进行计算，但土壤轴向摩擦力引起的一次应力在现有的次应力在现有的规程规程中忽略了管道本身自重的影响，这中忽略了管道本身自重的影响，这在小口径直埋管道强度计算中是没有问题的，但对于大口径在小口径直埋管

12、道强度计算中是没有问题的，但对于大口径直埋管道由于管道本身自重大，当管道发生轴向位移时，由直埋管道由于管道本身自重大，当管道发生轴向位移时，由自重产生的管道与土壤之间摩擦力不可忽略。自重产生的管道与土壤之间摩擦力不可忽略。直埋供热管道发展=g(H+Dw /2)Dw+G 其中：其中： 轴线方向每米管道的摩擦力，轴线方向每米管道的摩擦力，Nm； 外管壳与土壤的摩擦系数；外管壳与土壤的摩擦系数； 土壤密度，土壤密度，kgm3 ，一般砂土取，一般砂土取1800 kgm3 ； g 重力加速度，重力加速度，ms2 ； H 管顶覆土深度，管顶覆土深度，m； Dw 预制保温管外壳的外径，预制保温管外壳的外径，

13、m； G 每米预制保温管的满水重量，每米预制保温管的满水重量，Nm。 管道轴向应力：管道轴向应力：Z = FA Z 管道轴向应力，管道轴向应力，MPa； F 管道轴向力，管道轴向力， N； 对于处在过渡段的管道对于处在过渡段的管道 F =L ， L 过渡段长度，过渡段长度，m； A 钢管管壁横截面积，钢管管壁横截面积，mm2。 通过计算，对于通过计算，对于DN1000 的预制保温管埋深在的预制保温管埋深在1.21.5 米时，米时，由管道自重引起的轴由管道自重引起的轴向应力约占上式计算轴向应力的向应力约占上式计算轴向应力的10%左右。左右。 直埋供热管道发展三、三、直埋管道的安装方式：直埋管道的

14、安装方式：目前国内对直埋管道的安装方式通常主要有以下几种：目前国内对直埋管道的安装方式通常主要有以下几种： 1 、预热安装、预热安装 在管道安装完之后覆土之前，管道进行预热（也可以在预热在管道安装完之后覆土之前，管道进行预热（也可以在预热之前将管线覆土，仅在之前将管线覆土，仅在补偿器附近的沟槽处敞口）。管道被加热到预热温度时，保补偿器附近的沟槽处敞口）。管道被加热到预热温度时，保持温度恒定，将一次性补偿持温度恒定，将一次性补偿器焊死，接着进行覆土，待整个预热段全部回填完后，再开器焊死，接着进行覆土，待整个预热段全部回填完后，再开始降温。始降温。 2 、有补偿安装、有补偿安装 在管道安装时，为保

15、证管道由温升引起的二次应力和由内压在管道安装时，为保证管道由温升引起的二次应力和由内压引起的一次应力的综合引起的一次应力的综合应力不超过钢材的许用应力，因此在管道系统中设置膨胀弯、应力不超过钢材的许用应力，因此在管道系统中设置膨胀弯、补偿器等吸收管道热膨胀补偿器等吸收管道热膨胀的补偿元件，使钢管始终处在弹性范围内工作。的补偿元件，使钢管始终处在弹性范围内工作。 3 、冷安装、冷安装 冷安装方式是冷安装方式是ABB 集中供热手册中提出来的，其允许钢管的集中供热手册中提出来的，其允许钢管的最大轴向应力为最大轴向应力为325MPa，在管道系统中不设补偿器，也不进，在管道系统中不设补偿器，也不进行预热

16、，但冷安装对施工安装要求较高。行预热，但冷安装对施工安装要求较高。 直埋供热管道发展四、直埋管道安全状态的分析：四、直埋管道安全状态的分析： 1、 强度失效强度失效 根据作用的不同（荷载）的不同，管道中的应力可以分为一次应力、二次根据作用的不同（荷载）的不同，管道中的应力可以分为一次应力、二次应力和峰值应力，每种应力都可以引起不同方式的破坏。应力和峰值应力，每种应力都可以引起不同方式的破坏。 a) 塑性流动：内压产生的一次应力，满足静力平衡条件，所引起的变形具塑性流动：内压产生的一次应力，满足静力平衡条件，所引起的变形具有非自限性。当一次应力超过屈服应力时，管壁会产生较大的塑性变形有非自限性。

17、当一次应力超过屈服应力时，管壁会产生较大的塑性变形（塑性流动），塑性变形的进一步增加，可导致爆裂或断裂。（塑性流动），塑性变形的进一步增加，可导致爆裂或断裂。 b) 循环塑性变形：温度变化产生的二次应力，满足变形协调条件，所引起循环塑性变形：温度变化产生的二次应力，满足变形协调条件，所引起的变形具有自限性，变形的同时总能使应力下降，反过来又使变形不在发的变形具有自限性，变形的同时总能使应力下降，反过来又使变形不在发展，故二次应力只会产生有限的塑性变形。然而，这种塑性变形会造成管展，故二次应力只会产生有限的塑性变形。然而，这种塑性变形会造成管壁内部结构一定程度的损伤，循环往复的塑性变形将使管道发

18、生破损。在壁内部结构一定程度的损伤，循环往复的塑性变形将使管道发生破损。在管道的使用期间内，当循环变化的压力和温度所产生应力（一次应力及二管道的使用期间内，当循环变化的压力和温度所产生应力（一次应力及二次应力）变化范围超过了两倍的屈服应力时，将产生循环塑性破坏（在升次应力）变化范围超过了两倍的屈服应力时，将产生循环塑性破坏（在升温过程中的压缩塑性变形和在降温过程中的拉伸塑性变形）。温过程中的压缩塑性变形和在降温过程中的拉伸塑性变形）。 c) 疲劳破坏：应力集中通常发生在弯头、折角、大小头及三通等管件处。疲劳破坏：应力集中通常发生在弯头、折角、大小头及三通等管件处。在温度和压力变化过程中，应力集

19、中引起的峰值应力，只在很小的局部范在温度和压力变化过程中，应力集中引起的峰值应力，只在很小的局部范围内产生循环塑性变形。一方面，该区域是被弹性区域包围的，故不会引围内产生循环塑性变形。一方面，该区域是被弹性区域包围的，故不会引起爆裂或断裂；另一方面，塑性变形对钢材的损伤作用，使管道经历了一起爆裂或断裂；另一方面，塑性变形对钢材的损伤作用，使管道经历了一定的运行周期后，产生疲劳破坏。峰值应力的变化范围越大，疲劳破坏所定的运行周期后，产生疲劳破坏。峰值应力的变化范围越大，疲劳破坏所经历的周期就越短。经历的周期就越短。 直埋供热管道发展2 稳定失效稳定失效 从整个管线看，管道属于杆件；从管道局部看，

20、管道属于薄从整个管线看，管道属于杆件；从管道局部看，管道属于薄壁壳体。当热力管道处于受压状态时，将可能出现两种不同壁壳体。当热力管道处于受压状态时，将可能出现两种不同方式失稳破坏。方式失稳破坏。 整体失稳：在轴向压应力作用下，由于压杆效应，可能会引整体失稳：在轴向压应力作用下，由于压杆效应，可能会引起管线的整体失稳。起管线的整体失稳。 局部失稳：在轴向压应力作用下，管壁可能出现局部皱结，局部失稳：在轴向压应力作用下，管壁可能出现局部皱结，引起局部失稳。引起局部失稳。 除上述失效方式外，横断面上的土壤荷载和交通荷载也会使除上述失效方式外，横断面上的土壤荷载和交通荷载也会使管道截面产生椭圆化变形，

21、过大的椭圆化变形也会使管道产管道截面产生椭圆化变形，过大的椭圆化变形也会使管道产生破坏生破坏直埋供热管道发展五、大口径直埋管道的设计要点：五、大口径直埋管道的设计要点： 当管道的管径不大于当管道的管径不大于DN500 时，管道只会出现无限塑性时，管道只会出现无限塑性流动、循环塑性变形、疲劳破坏和整体失稳，而不会有其它流动、循环塑性变形、疲劳破坏和整体失稳，而不会有其它方式的破坏出现。针对这种情况，破坏方式出现的强度条件。方式的破坏出现。针对这种情况，破坏方式出现的强度条件。当上述强度条件得到满足时，当上述强度条件得到满足时，DN500 以下的管道将处于安全以下的管道将处于安全状态。状态。 当管

22、道的管径大于当管道的管径大于DN500 时，除上述破坏方式外，局部时，除上述破坏方式外，局部失稳和截面椭圆变形出现的概率将大大增加，会成为大口径失稳和截面椭圆变形出现的概率将大大增加，会成为大口径直埋管道的主要失效方式。那么，需要针对这两种方式建立直埋管道的主要失效方式。那么，需要针对这两种方式建立新的强度条件，并使管道满足上述条件，则管道处于安全状新的强度条件，并使管道满足上述条件，则管道处于安全状态，这时，大口径预制保温管的直埋敷设是可行的。态，这时，大口径预制保温管的直埋敷设是可行的。 直埋供热管道发展a) 局部失稳：验算钢管管壁局部稳定性的强度条件。产生局部失局部失稳：验算钢管管壁局部

23、稳定性的强度条件。产生局部失稳的因素是管道的轴向应变，轴向应变取决于热胀变形的大小和稳的因素是管道的轴向应变，轴向应变取决于热胀变形的大小和热胀变形的释放程度。由于冷安装方式的下的管道温升大于预热热胀变形的释放程度。由于冷安装方式的下的管道温升大于预热安装方式下的管道温升，故预热安装方式下，热胀变形量较小，安装方式下的管道温升，故预热安装方式下，热胀变形量较小，热胀变形的释放与管道补偿状态有关，有补偿管段的释放程度要热胀变形的释放与管道补偿状态有关，有补偿管段的释放程度要大于无补偿管段的释放程度。另一方面，局部失稳的可能性还与大于无补偿管段的释放程度。另一方面，局部失稳的可能性还与管道的截面性

24、有关，在轴向应变管道的截面性有关，在轴向应变相同的管道中，随着管壁的增厚而局部失稳的可能性减少，而随相同的管道中，随着管壁的增厚而局部失稳的可能性减少，而随着钢管平均半径的增大而局部失稳的可能性增大。计算方法如下：着钢管平均半径的增大而局部失稳的可能性增大。计算方法如下： 计算极限状态应力时：计算极限状态应力时： rm28.7 则：则：Z max334 MPa； rm28.7 则：则：Z max 9250(rm )+11.7 MPa； 计算极限状态温差时：计算极限状态温差时： rm28.7 则：则：T130； rm28.7 则：则：T3500(rm )+8 ； 式中：式中：rm 钢管的平均半径

25、，钢管的平均半径，m； 钢管的壁厚，钢管的壁厚，m； Z max 管道最大轴向应力，管道最大轴向应力，MPa； T 管道工作与安装温差，管道工作与安装温差，。 直埋供热管道发展b) 椭圆化变形：验算土压力和车辆荷载作用下控制钢管截面椭圆化变形：验算土压力和车辆荷载作用下控制钢管截面椭圆化变形的稳定条件，即保证钢管截面椭圆化变形不大于椭圆化变形的稳定条件，即保证钢管截面椭圆化变形不大于钢管外径的钢管外径的30%。产生径向变形的主。产生径向变形的主要原因是管道上作用的垂直荷载，包括随埋深增加而加大的要原因是管道上作用的垂直荷载，包括随埋深增加而加大的土壤荷载和随埋深增加而减土壤荷载和随埋深增加而减

26、小的车辆荷载。同样，还与钢管的截面参数有关，在相同的小的车辆荷载。同样，还与钢管的截面参数有关，在相同的垂直荷载作用下，平均半径垂直荷载作用下，平均半径越大，径向变形越大，管壁越厚，径向变形越小。当埋深较越大，径向变形越大，管壁越厚，径向变形越小。当埋深较浅或较深时，应适当加大钢浅或较深时，应适当加大钢管的壁厚，这样才能保证局部失稳的要求。管的壁厚，这样才能保证局部失稳的要求。 第二章第二章现阶段直埋供热工程现阶段直埋供热工程现阶段直埋供热工程 直埋供热管道分为无补偿直埋敷设和有补偿直埋敷设。直埋供热管道分为无补偿直埋敷设和有补偿直埋敷设。无补偿直埋敷设又可分为冷安装无补偿、预应力无补偿。预无

27、补偿直埋敷设又可分为冷安装无补偿、预应力无补偿。预应力无补偿有分为机械拉伸、敞槽预热、一次补偿等多种形应力无补偿有分为机械拉伸、敞槽预热、一次补偿等多种形式。预热方式又分为热水、热风和电热等。式。预热方式又分为热水、热风和电热等。一、直埋管的稳定性验算一、直埋管的稳定性验算（1）整体稳定性分析：直埋管最小覆土深度应满足垂直稳定）整体稳定性分析：直埋管最小覆土深度应满足垂直稳定性要求，一般而言，大于性要求，一般而言，大于DN700的直管道不必从垂直稳定性的直管道不必从垂直稳定性考虑限制其埋深。考虑限制其埋深。（2）局部稳定性分析：公称直径不大于）局部稳定性分析：公称直径不大于DN800、工作温差

28、小、工作温差小于于85时，不会出现局部失稳；当供水温度大于时，不会出现局部失稳；当供水温度大于130、公、公称直径大于称直径大于DN800时，采用标准壁厚的钢管，在锚固段可能时，采用标准壁厚的钢管，在锚固段可能会出现局部皱结。会出现局部皱结。现阶段直埋供热工程二、直埋管的强度验算二、直埋管的强度验算无补偿管段强度验算有两种强度验算理论：弹性分析法（第四强度理论）和安定无补偿管段强度验算有两种强度验算理论：弹性分析法（第四强度理论）和安定分析法（弹塑性分析，第三强度理论）。分析法（弹塑性分析，第三强度理论）。直埋管的安定条件判断，根据应变大小可分为不发生任何塑性变（直埋管的安定条件判断，根据应变

29、大小可分为不发生任何塑性变（2s，|s，安定状态）、发生有限塑性变形（，安定状态）、发生有限塑性变形（2s，|s安定状态），发生循安定状态），发生循环塑性变形（环塑性变形（2s，不安定状态），不安定状态）（1）极限分析：为防止管道出现塑性流动，必须保证一次应力小于屈服极限）极限分析：为防止管道出现塑性流动，必须保证一次应力小于屈服极限s。考虑安全因素后，设计应保证一次应力不大于许用应力考虑安全因素后，设计应保证一次应力不大于许用应力。（2）安定分析：为使管道处于安定，必须保证一次应力（工作压力产生的内力，）安定分析：为使管道处于安定，必须保证一次应力（工作压力产生的内力，包括轴向应力和环向应力

30、）与二次应力（热应力，升温产生轴向压应力，降温产包括轴向应力和环向应力）与二次应力（热应力，升温产生轴向压应力，降温产生轴向拉应力）共同作用下当量应力变化范围小于生轴向拉应力）共同作用下当量应力变化范围小于2倍屈服极限倍屈服极限s。考虑安全因。考虑安全因素后，用抗拉强度素后，用抗拉强度b代替代替2s。管道安定条件：当量应力变化范围不大于。管道安定条件：当量应力变化范围不大于3。（3）疲劳分析：一次应力、二次应力、峰值应力（三通、变径、弯管等局部应）疲劳分析：一次应力、二次应力、峰值应力（三通、变径、弯管等局部应力集中）综合作用下应力变化范围不大于力集中）综合作用下应力变化范围不大于6，亦即当量

31、应力幅度不大于，亦即当量应力幅度不大于3。t1：设计供水温度，：设计供水温度，；t2：最低工作温度，：最低工作温度，；全年运行；全年运行30，冬季运行，冬季运行10。t0：安装计算温度，：安装计算温度，；环境温度，一般为；环境温度，一般为10，不小于，不小于0，预热安装时取预热，预热安装时取预热温度。钢材（温度。钢材（Q235）的屈服极限）的屈服极限s为为235Mpa，抗拉强度，抗拉强度b为为375Mpa，许用应，许用应力力为为125Mpa（1/3抗拉强度）抗拉强度）现阶段直埋供热工程1关于过渡段长度计算关于过渡段长度计算当直管段两端补偿装置间距大于过渡段极限长度（最大摩擦长度）两倍时，在两当

32、直管段两端补偿装置间距大于过渡段极限长度（最大摩擦长度）两倍时，在两（自然）锚固点之间会形成一无补偿管段（自然锚固段）；当补偿装置间距小于（自然）锚固点之间会形成一无补偿管段（自然锚固段）；当补偿装置间距小于等于两倍过渡段长度时，以驻点为界分为两个过渡段（有补偿段）。等于两倍过渡段长度时，以驻点为界分为两个过渡段（有补偿段）。无补偿冷安装直埋敷设的条件：无补偿冷安装直埋敷设的条件：根据弹性理论分析（根据弹性理论分析（eq1.35），只要安装温差不大于弹性温差，就允许直），只要安装温差不大于弹性温差，就允许直管段不安装补偿器而进行无补偿直埋敷设，管道在弹性状态下运行。换言之，当管段不安装补偿器而

33、进行无补偿直埋敷设，管道在弹性状态下运行。换言之，当安装温差大于弹性温差时，直管段中不允许存在锚固段，必须安装补偿器，设置安装温差大于弹性温差时，直管段中不允许存在锚固段，必须安装补偿器，设置补偿器的最大间距即为管道存在锚固段时过渡段长度的两倍。过渡段长度可以根补偿器的最大间距即为管道存在锚固段时过渡段长度的两倍。过渡段长度可以根据存在锚固段时驻点处轴向应力以及单长摩擦力求出。据存在锚固段时驻点处轴向应力以及单长摩擦力求出。上述弹性温差（上述弹性温差（58.067.4）与管道工作压力（）与管道工作压力（1.02.5Mpa）、公称直径）、公称直径（DN401000）有关。供热管网安装温度按）有关

34、。供热管网安装温度按10计算，设计供水温度一般均大于计算，设计供水温度一般均大于80，回水温度均小于，回水温度均小于80，因此，无论一二次网，直埋管供水管均需安装补偿，因此，无论一二次网，直埋管供水管均需安装补偿装置，回水管可考虑无补偿敷设。装置，回水管可考虑无补偿敷设。根据弹塑性理论分析（根据弹塑性理论分析（eq3），当量应力小于两倍屈服极限，引入安全系数），当量应力小于两倍屈服极限，引入安全系数后，用三倍许用应力代替。基于安定分析的弹性温差（后，用三倍许用应力代替。基于安定分析的弹性温差（121.0149.3）也提高）也提高许多，这样，即使供水温度高达许多，这样，即使供水温度高达140，冷

35、安装也可采用直线段无补偿直埋敷设。，冷安装也可采用直线段无补偿直埋敷设。但是，正因为采用了相当高的应力验算值，需要对三通、弯头等应力集中的局部但是，正因为采用了相当高的应力验算值，需要对三通、弯头等应力集中的局部管件必要时采取加强措施。管件必要时采取加强措施。现阶段直埋供热工程 基于弹塑性理论分析，与弹性理论类似，当安装温差大于弹性温基于弹塑性理论分析，与弹性理论类似，当安装温差大于弹性温差时，直管段中不允许存在锚固段，必须安装补偿器。事实上，对于差时，直管段中不允许存在锚固段，必须安装补偿器。事实上，对于130，1.6MPa的直埋管是允许存在锚固段的。的直埋管是允许存在锚固段的。 按照安定分

36、析方法，在计算热伸长时必须先确定管道的屈服温度，按照安定分析方法，在计算热伸长时必须先确定管道的屈服温度，当安装温差小于屈服温度时，伸长量仍按弹性分析方法计算；当安装当安装温差小于屈服温度时，伸长量仍按弹性分析方法计算；当安装温差大于屈服温差且小于弹性温差时，管道允许进入屈服阶段，伸长温差大于屈服温差且小于弹性温差时，管道允许进入屈服阶段，伸长量计算还需知道过渡段长度。过渡段长度是判断管道是否出现锚固段量计算还需知道过渡段长度。过渡段长度是判断管道是否出现锚固段的分界点。当安装长度小于过渡段时，即使超过屈服温差，伸长量仍的分界点。当安装长度小于过渡段时，即使超过屈服温差，伸长量仍按弹性管段计算

37、；当安装长度大于过渡段时，长度大于过渡段的管段按弹性管段计算；当安装长度大于过渡段时，长度大于过渡段的管段处于锚固状态（屈服状态），其余部分产生塑性变形。也正是由于改处于锚固状态（屈服状态），其余部分产生塑性变形。也正是由于改塑性变形的存在，在管道再次进入温度循环过程时就已经存在一定的塑性变形的存在，在管道再次进入温度循环过程时就已经存在一定的预应力，管道此后不再进入屈服，此时伸长量会减少一定长度（由于预应力，管道此后不再进入屈服，此时伸长量会减少一定长度（由于屈服被压缩的量）。屈服被压缩的量）。 同样地分析，当安装温差大于弹性温差时，管道不允许进入锚固同样地分析，当安装温差大于弹性温差时，管

38、道不允许进入锚固状态。管道的安装长度应小于存在锚固段时的过渡段长度。状态。管道的安装长度应小于存在锚固段时的过渡段长度。现阶段直埋供热工程2关于固定支架设置原则关于固定支架设置原则当直管段两端同为（普通）补偿器或弯管补偿时，直管段上可不设固当直管段两端同为（普通）补偿器或弯管补偿时，直管段上可不设固定墩；一端为补偿器，一端为补偿弯管，当补偿器至弯管的摩擦力大定墩；一端为补偿器，一端为补偿弯管，当补偿器至弯管的摩擦力大于流体作用于弯管的内压推力（盲板力）时可不设固定墩，否则应在于流体作用于弯管的内压推力（盲板力）时可不设固定墩，否则应在固定点处设置固定墩。固定点处设置固定墩。3关于冷安装和预热安

39、装关于冷安装和预热安装从应力变化范围分析，冷安装与预热安装是相同的，但是预热安装的从应力变化范围分析，冷安装与预热安装是相同的，但是预热安装的应力幅度约为冷安装的一半，也就是说，采用无补偿冷安装时管道附应力幅度约为冷安装的一半，也就是说，采用无补偿冷安装时管道附件如弯头、三通、变径、折角等的升温位移将会是预热安装的两倍。件如弯头、三通、变径、折角等的升温位移将会是预热安装的两倍。预热安装又可分为：整体预热、分段预热和一次补偿三种形式，其中预热安装又可分为：整体预热、分段预热和一次补偿三种形式，其中一次补偿为回填预热。一次补偿为回填预热。由于管道热应力变化与管道整体焊接温度无关，对于直管段、变径

40、、由于管道热应力变化与管道整体焊接温度无关，对于直管段、变径、三通、弯头等局部管件的强度验算，冷安装与预应力安装均具有相同三通、弯头等局部管件的强度验算，冷安装与预应力安装均具有相同的强度状态；然而，由于预应力安装管道整体焊接温度提高，使温升的强度状态；然而，由于预应力安装管道整体焊接温度提高，使温升降低，这样，预应力安装比冷安装管道轴向内力、固定墩推力和补偿降低，这样，预应力安装比冷安装管道轴向内力、固定墩推力和补偿器补偿量将会有所下降，从而管道整体和局部的稳定性将有所提高。器补偿量将会有所下降，从而管道整体和局部的稳定性将有所提高。现阶段直埋供热工程公称直径外径壁厚保温管中心距E沟宽B细砂

41、层C最小覆土沟深H沟顶宽WDN100108x4200 x3.9400100020080014002870DN200219x6315x6.25001300200100017153590DN400426x7550 x8.87801800300120023504935DN500529x8655x9.810002100300120024555375DN800820 x10960 x1413502900300140029606850DN900920 x121055x1414503100300140030557175DN10001020 x131155x1415503310300140031557520直

42、埋管断面布置尺寸参考（直埋管断面布置尺寸参考（mm）注：放坡角注：放坡角60，或放坡比，或放坡比1:1.5。现阶段直埋供热工程公称直径最小覆土无补偿温差驻点轴向应力过渡段长度热伸长量DN10080065.61894736DN200100064.85486851DN400120061.511556449DN500120061.818558463DN80014005828767254DN900140059.140719068DN1000140058.948819673弹性分析法直埋管过渡段长度（弹性分析法直埋管过渡段长度（m）驻点轴向应力（）驻点轴向应力（kN）及热伸长量（）及热伸长量（mm）注：

43、工作压力注：工作压力1.6MPa、温差、温差130，摩擦系数，摩擦系数0.4，热胀系数，热胀系数12.610-6-1。 现阶段直埋供热工程公称直径最小覆土无补偿温差屈服温差驻点轴向应力过渡段长度热伸长量DN100800144.9117.3379163136DN2001000143.1115.51145246208DN4001200137.2109.62494238204DN5001200135.61083492264228DN8001400132.1104.46561276241DN9001400133.71068961342297DN10001400133.3105.710736367318

44、安定分析法直埋管过渡段长度（安定分析法直埋管过渡段长度（m）驻点轴向应力（）驻点轴向应力（kN）及热伸长量（）及热伸长量（mm）注：工作压力注：工作压力1.6MPa、温差、温差130，摩擦系数，摩擦系数0.4，热胀系数，热胀系数12.610-6-1。现阶段直埋供热工程DN152025324050150200v(m/s)0.60.811.31.522.33.0设计供回水温差（）推荐值（Pa/m）40406040806080热水管网允许流速（城市供热手册汤惠芬热水管网允许流速（城市供热手册汤惠芬 范季贤）范季贤）热水管网经济比压降（城市供热手册汤惠芬热水管网经济比压降（城市供热手册汤惠芬 范季贤）

45、范季贤）注：使用范围注：使用范围710km，设一级中继泵站时比压降取推荐值的，设一级中继泵站时比压降取推荐值的1.2倍，设有两级时取倍，设有两级时取1.4倍。倍。第三章第三章供热直埋土壤摩擦系数供热直埋土壤摩擦系数供热直埋土壤摩擦系数 近年来，热水供热管道的直埋敷设技术得到了广泛应用。随着国家节能减近年来，热水供热管道的直埋敷设技术得到了广泛应用。随着国家节能减排政策的实施，集中供热成为趋势，直埋供热管道的管径也逐渐突破了排政策的实施，集中供热成为趋势，直埋供热管道的管径也逐渐突破了CJJ/T 8198城镇直埋供热管道工程技术规程城镇直埋供热管道工程技术规程(以下简称规程以下简称规程)的限制，

46、公称的限制，公称直径直径500mm的热水管道也越来越多地采用直埋敷设技术。直埋供热管道的的热水管道也越来越多地采用直埋敷设技术。直埋供热管道的摩擦力计算，大多是依据规程中的计算方法，然而在应用过程中，有一些摩擦力计算，大多是依据规程中的计算方法，然而在应用过程中，有一些计算问题值得探讨。计算问题值得探讨。1 摩擦力计算式摩擦力计算式在直埋供热管道设计中，受力计算与应力验算是很重要的设计依据。在设计计算中，直埋供热管道与土壤之间的摩擦力计算是一项复杂的土壤力学问题。规程规定，单位长度直埋供热管道与土壤间摩擦力F的计算式为： 式中F单位长度直埋供热管道与土壤间摩擦力，N/m 土壤密度，kg/m3

47、g重力加速度，m/s2 保温管外壳与周围回填砂土间的摩擦系数 Dc保温管外壳的外径，m h管顶覆土深度，m 在摩擦力计算中，摩擦系数与管顶覆土深度h为变量，二者的取值直接影响摩擦力的计算结果。供热直埋土壤摩擦系数2 摩擦系数摩擦系数 摩擦系数是计算摩擦力的基础数据，也是直埋供热管道设计的基础数据。过渡段长度的确定，热伸长量的计算，补偿器补偿量的计算，固定支座推力计算及直管、弯管应力验算等，都需要预先确定摩擦系数。 摩擦系数除了与回填砂土、保温管外壳的物理性质有关外，还受到施工中回填砂土的夯实程度、管道热伸长量、伸缩次数、供热介质温度、压力等的影响1。根据工程现场的实测数据，得出摩擦系数随管道热

48、伸长量L、运行温度与安装温度之差t的变化，见图1、21。 由图1、2可知，“随L和t的增加而增加。规程给出了保温管外壳(适用于高密度聚乙烯、玻璃钢)与回填砂土间摩擦系数的取值范围，见表1。供热直埋土壤摩擦系数 直埋供热管道首次运行时，由于土压力的作用，摩擦系数较大。随着运行温度的升高，管道热伸长是渐进式的，即从靠近补偿器的管段扩展到整个管段。管网运行初期，摩擦系数大，但由于t较小，热膨胀力小，固定支座受到的推力也小。当达到最高运行温度时，靠近补偿器处的管段已有过多次热伸长移动，此时土壤形成消力拱，管段摩擦系数将变小。 实际运行中，管道摩擦力理论计算结果往往大于实际情况，参考管道顶管施工中估算顶

49、进力Ft(顶进力计算结果与规程中摩擦力计算结果等效)的经验公式2： Ft=nW (2)式中Ft顶进力，N n土质系数，对于能短期形成土拱的土壤，取1.52.0；对于不能形成土拱的土壤，取34 W被顶管段的全部重量，N 根据式(2)，对于相同管径的直埋供热管道，当n=4时，计算出的顶进力远小于根据规程取最小摩擦系数0.15计算得到的摩擦力。因此，摩擦系数受许多工程因素影响，还不能用一个简单的函数关系式准确表达，只能给出一个变化范围。供热直埋土壤摩擦系数3 管顶覆土深度管顶覆土深度 在供热管道直埋敷设时，管顶覆土深度要依据当地的地形测量图而定，且必须符合规程关于直埋供热管道最小覆土深度的要求。对于

50、敷设在车行道下的公称管径500mm的直埋热水供热管道，为避免车辆荷载对管道构成的危害，规程规定的管顶最小覆土深度。车行道下直埋热水供热管道管顶最小覆土深度车行道下直埋热水供热管道管顶最小覆土深度公称直径/mm50125 150300350500管顶覆土深度/m 0.8 1.0 1.2 在计算摩擦力时，由于土壤存在着消力拱的作用，规程规定，对于公称直径500mm的管道，保温结构断面较小，保温层又有较大弹性，因此管顶覆土深度超过1.5m时，仍按1.5m计算。 然而，当前许多供热工程的直埋供热管道已突破DN 500mm，超出了规程的限制。在设计中，管顶覆土深度超过1.5m的情况也很常见。土壤的消力拱

51、作用需要根据不同管径和土质情况进行土壤力学分析，以判断管顶覆土深度为何值时出现消力拱作用，最后还应通过试验进一步验证3，然而我国缺乏相关试验数据。对于公称直径500mm的直埋热水供热管道，我们结合工程实践，当管顶实际覆土深度大于1.6m时，计算值可取1.62.0m。第四章第四章供热直管段应力验算供热直管段应力验算供热直管段应力验算 供热系统热媒温度的选择是一个经济技术问题。一方面供水温度低、管径细、节省投资，另一方面热媒温度高、长直管段轴向内力大、热应力大，不允许进入锚固段，需要设置补偿器及配套设施，从而又增加了管网工程造价、管网维护维修费用。通过应力算，确定满足无补偿管段强度条件的最大允许温

52、差，据此确定出经济合理、技术可靠的供水温度。 本章第一节介绍了直埋管道中的应力、破坏方式，从应力和应变角度分析了直埋管道强度破坏的表现形式及采用应力分类的强度条件；第二节第四节详细阐述了无补偿管段应力验算的弹性分析理论，以及支撑无补偿管段的有补偿管段最大热伸长量和任一分支点的热伸长计算。供热直管段应力验算一、直埋管道中的应力一、直埋管道中的应力 直埋供热管道的安全性取决于管道中应力的大小，而应力的大小又取决于作用与直埋供热管道的安全性取决于管道中应力的大小，而应力的大小又取决于作用与管道的荷载。前已述及，在纸直埋供热管道中，荷载包括主动荷载和被动荷载。管道的荷载。前已述及，在纸直埋供热管道中，

53、荷载包括主动荷载和被动荷载。前已述及，在直埋供热管道中，荷载包括主动荷载和被动荷载。主动荷载是指由前已述及，在直埋供热管道中，荷载包括主动荷载和被动荷载。主动荷载是指由于温度变化和工作压力引起的管道受力；被动荷载是指土壤摩擦力和补偿器位移于温度变化和工作压力引起的管道受力；被动荷载是指土壤摩擦力和补偿器位移阻力，包括套筒补偿器摩擦力，波纹补偿器、阻力，包括套筒补偿器摩擦力，波纹补偿器、L形和形和Z形补偿器弹性力等。形补偿器弹性力等。 按照应力分类的观点，不同的荷载所产生的应力可导致不同的管件出现不同的失按照应力分类的观点，不同的荷载所产生的应力可导致不同的管件出现不同的失效方式。按照电厂汽水管

54、道应力计算规定，应力可分为一次应力、二次应力和峰效方式。按照电厂汽水管道应力计算规定，应力可分为一次应力、二次应力和峰值应力。一次应力指工作压力在直管中产生的应力，如内压环向应力、轴向应力值应力。一次应力指工作压力在直管中产生的应力，如内压环向应力、轴向应力等。二次应力指热胀冷缩受到外力约束时，在直管中产生的应力，如升温产生的等。二次应力指热胀冷缩受到外力约束时，在直管中产生的应力，如升温产生的轴向压应力、降温产生的轴向轴向压应力。峰值应力指承受一次应力和二次应力轴向压应力、降温产生的轴向轴向压应力。峰值应力指承受一次应力和二次应力的直管道向结构不连续的管件如三通、变径管、弯管等处释放变形，在

55、该管件的的直管道向结构不连续的管件如三通、变径管、弯管等处释放变形，在该管件的开口周围产生的应力。管道应力参见图开口周围产生的应力。管道应力参见图6-1。 供热直管段应力验算 需要重点强调的是土壤对直埋管道应力的影响。土壤对直需要重点强调的是土壤对直埋管道应力的影响。土壤对直埋管道应力的影响包括土壤的支撑作用和土壤对热胀冷缩的约埋管道应力的影响包括土壤的支撑作用和土壤对热胀冷缩的约束作用。一方面，土壤的支撑作用使管道自重不会产生横向弯束作用。一方面，土壤的支撑作用使管道自重不会产生横向弯曲变形，因此可以忽略像地沟敷设、架空敷设那样的对管道强曲变形，因此可以忽略像地沟敷设、架空敷设那样的对管道强

56、度影响较大的重力作用；另一方面，土壤的摩擦阻力压缩了热度影响较大的重力作用；另一方面，土壤的摩擦阻力压缩了热胀冷缩，使管道产生了较大的二次应力即热应力，与地沟敷设、胀冷缩，使管道产生了较大的二次应力即热应力，与地沟敷设、架空敷设相比，热应力作用对直埋管道应力影响变得十分突出。架空敷设相比，热应力作用对直埋管道应力影响变得十分突出。 直埋供热管道中热应力的水平远远高于内压产生的一次应直埋供热管道中热应力的水平远远高于内压产生的一次应力。因此，直埋供热管道能否安全运行的至关重要的因素是热力。因此，直埋供热管道能否安全运行的至关重要的因素是热应力的大小。应力的大小。 二、二、直埋管道的破坏方式直埋管

57、道的破坏方式 直埋供热管道可能出现的破坏方式包括强度破坏和丧失稳定性直埋供热管道可能出现的破坏方式包括强度破坏和丧失稳定性两个方面。两个方面。 供热直管段应力验算(一)强度破坏1、强度破坏是指无补偿管段因管道中各类应力的综合水平超出其允许的当量应力水平面产生的断裂或爆裂破坏。引起强度破坏的原因有塑性流动、循环塑性变形、疲劳破坏等。 塑性流动 塑性流动是指：听有管段包括弯管在内当一次应力达到屈服极限s时，管壁会产生塑性应变s ，并随着一次应力的持续作用而增大直到管道断裂（图6-2中，从a到b点的应力增大是由于发生变形以后横截面积变小引起的）。直埋管道中内压产生的一次应力所引起的变形具有非自限性。

58、一旦发生塑性流动，就会导致钢管的强度破坏。供热直管段应力验算2、循环塑型变形 循环塑性变性是指：钢材交替地发生拉伸和压缩的塑性变形，循环塑性变形引起钢材的破坏。有于温度变化产生的热应力属于二次应力，所引起的应变具有自限性。自限性有两种情况：第一种情况是有限长度管段L，当温度超过一定值以后，被动力达到上限值 Fl L+P t (Fl L+P tAS106）不再随温度的变化而变化。由于管道的内力总是等于管段的被动力，所以热应力、热应变也不再随温度变化。第二种情况是被动力达到上限值 Fl L+P t=AS106。但由温度变化引起的管道热膨胀具有自限性，即一定温差下管道的热伸长是一定值。所以由于管道热

59、伸长被限制而引起管道的应变具有一个上限，等于管道单位长度的热伸长量。故虽然应力等于S，但应变不会持续变大，因而不会导致钢管塑性流动破坏。 但循环塑性变形会对管壁晶体结构造成一定程度的损伤。无补偿管段在升温过程中出现压缩变形，在降温过程中出现拉伸变形。当应力变化范围超过两倍的屈服极限时，就会产生循环塑性变形，晶体损伤就会大幅度增加，最终导致管道缩短使用寿命，发生循环塑性破坏 3、疲劳破坏4、疲劳破坏是指：管道的局部地方由于应力集中引起的局部循环塑性变形导致的局部破坏。直埋供热管道的弯头、折角、变径及三通等管件处会产生应力集中。在温度和压力变化过程中，应力集中引起的峰值应力，将在很小的局部范围内产

60、生循环塑性变形。一方面，该区域是被弹性区域包围的，所以不会引起爆裂或断裂；另一方面，塑性变形对钢材的损伤作用，使管件经历了一定的运行周期后，产生疲劳破坏。疲劳破坏也与应力变化有关，峰值应力的变化范围越大，疲劳破坏所经历的时间就越短，表现为局部开裂、漏水。 供热直管段应力验算四、强度验算及稳定性验算（一）采用应力分力法的强度验算 采用应力分类法的强度验算包括下列三个方面的内容。对一次应力的极限分析，对一次应力和二次应力的安定性分析和对一次应力、二次应力和峰值应力的疲劳分析。1、对一次应力的极限分析：为防止管道出现塑性流动，必须保证一次应力小于屈服极限s 。考虑安全系数，可用基本许用应力表示极限分