1、1管道直埋无补偿敷设技术用于南方地区某集中供冷项目的设计分析摘要 管道直埋无补偿敷设技术在北方集中供暖项目中已有广泛应用，但至今在南方地区的集中供冷项目中仍未有应用，本文通过对直埋管道中的直管段、弯头、三头、变径等的计算分析，验证其完全能应用于集中供冷项目中，希望为其他类似项目提供设计经验。 关键词 集中供冷 管道直埋无补偿敷设 中图分类号：TU81 文献标识码： A 文章编号： 1 项目简介 本项目位于珠海市横琴新区，属于公园性质的项目，园区内各单体相当分散，且单体立面均有外包装，难于设置冷却塔，经多次经济技术比较，最终决定采用集中供冷的形式，集中设置冷源，再通过输配管网把冷冻水送到各用冷点
2、，由于室外场地的限制，无法设置管沟，需采用管道直埋敷设方式。 2 前期方案 管道工作循环最高温度 13.5，管道工作循环最低温度 5.5，安装温度 35.5；设计工作压力 1.0MPa；选用高密度聚乙烯外护管聚氨脂泡沫塑料预制直埋保温管，工作钢管材质选用为 Q235-B。管道沿园区道路敷设，管顶最小覆土埋深按城镇直埋供热管道工程技术规程（CJJ/T 81-98）1中的相关规定；初定管网弯头的曲率半径为 1.5D，2直埋管段中不设置任何阀门。 3 计算分析 弹塑形分析法认为，管道产生有限的塑性变形不会产生破坏，只有循环塑形变形才会使管道产生破坏，本方案充分发挥钢材塑性的潜力，利用土壤与保温管外表
3、面的摩擦力固定管道，使整个管线不需设置补偿器，使管线形成一种自身的平衡状态。 对于钢管，与断裂或者其他形式的结构破坏有关的承载能力极限状态有以下几种： （1） 、塑形变形破坏； （2） 、疲劳破坏，低疲劳破坏的极限状态主要对弯头、三通和变径起重要作用，高疲劳作用仅对大管径、浅埋、交通荷载频繁作用的情况或承受如风力造成震动的地上管道起重要作用； （3） 、管线系统或其中一部分失稳； （4） 、可能影响安全的渗漏。 （5） 、变形或偏差。 对于一般直埋系统，下列组合起决定作用： 因此根据力作用和变形作用的最不利组合，对包括附件在内的设备验算循环塑形变形，弯头、三通和变径验算疲劳破坏，验算局部屈曲或
4、者皱折。 3.1 循环塑性变形验算 3根据给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程 （CECS 141-2002）2，直管段受到的当量应力应满足下列表达式： （1） 式中-当量应力 -泊松系数，取 0.3 -管道内压引起的环向内力， -管道的计算压力 -钢管内径（考虑管壁变化） -钢管公称壁厚 -钢材线性膨胀系数 -钢材的弹性模量 -钢材在计算温度下的基本许用应力 -管道工作循环最低温度 -管道工作循环最高温度 -可变作用的组合系数，取 0.9 -设计内水压力、地面车辆荷载、地面堆积荷载和温度作用的分项系数，取 1.4 -地基不均匀沉降引起的纵向应力 将相关参数代入公式（1）中，以 DN150 管
5、径为例得出其计算控制的最大温差为 109.1。 冷冻水工作循环温差=30 ，故管道不会产生循环塑性变形，即直管段允许进入锚固，无需控制过渡段长度，故可采用直埋无补偿的敷设4方式。 3.2 局部屈曲验算 根据区域供热手册3，局部屈曲验算应满足下列表达式： 当时， (2) 当时， (3) 考虑管道截面椭圆化，平均半径用下式代替 式中-无荷载作用下管道的平均半径 w-产生压缩应变或者扭曲变形部位处的半径变化 将相关参数代入公式（2） 、 （3）中，得出以下结果： 从上述计算可以看出，无补偿管段满足局部稳定性条件，不会出现局部皱折。 3.3 整体稳定性验算 直埋管道周围突然在径向或轴向对管道有约束，正
6、常状态下是保持稳定的，但当突然约束力较小时，受压管道会在横向约束最弱的区域突出，根据城镇直埋供热管道技术规程 （CJJ/T 81-98） ，直埋直管段上的垂直荷载应符合下式要求： 临界载荷，实际载荷。 (4) 式中-稳定性时的分项安全系数 5-单管的轴向压力 -钢管的初始扰度 -单管惯性矩 由于该项目地下水位相对高，因此实际荷载需要减去浮力对它的影响。 所以实际荷载。 将相关参数代入公式（4）得出以下结果： 因此埋深满足垂直稳定性要求，管道在运行过程中不会发生纵向失稳。 3.4 弯头设计 直埋弯头作为直埋管道的重要构件，既是过渡段热膨胀的自然补偿器又是管道系统受保护的原件，当弯头侧臂较长，曲率
7、半径小，循环温差较大时，会招致峰值应力，发生低频次的循环塑性变形，因此需对弯头进行强度验算。 直埋弯头的强度验算应满足下列条件： (5) 式中-弯头在弯矩作用下最大环向应力变化幅度 -直埋弯头在内压力作用下弯头顶部（底部）的环向应力，即运行工况下的环向拉应力， （Mpa） 6-弯头平面弯曲环向应力加强系数 -弯管的尺寸系数 -弯头曲率半径 M弯头弯矩变化范围 K弯头钢管的柔性系数，光滑弯管 k与土壤特性和预制保温管刚度有关的参数 -直埋保温管外壳外径 C土壤横向压缩反力系数 -转角管段的折角（邻补角） （弧度） -平均计算臂长 -直管横截面惯性矩 -弯头钢管的横截面惯性矩 选取某一 90弯头，
8、其管顶覆土深度 1.2m，把相关参数代入式(5)中得，计算出弯头处总应力为 85.8MPa，小于钢材 Q235 的基本许用应力123MPa。弯头应力验算合格，系统运行过程中不会因为管道的纵向应力而破坏弯头。为增加弯头的自然补偿能力，减轻、缓冲管道使用过程中由于管线的者收缩而产生的力的作用，在弯头两侧放置聚氨酯(PU)泡沫垫，膨胀垫的安装长度大于弯臂的弹性臂长。 3.5 三通设计 采取平行三通的形式，平行三通与支管采用 1.5D 的弯头连接，利用弯头吸收主管和支管的位移量，平行分支臂长不小于管径的弹性臂长。7工厂预制平行三通加固方案按城镇直埋供热管道工程技术规程（CJJ/T 81-98）4.5.
9、3 中的相关规定执行。 3.6 变径管设计 由于温度变化小于直埋供热管道工程设计4中规定的变径管最大允许温差，满足疲劳寿命的要求，对变径管可以不采用任何保护措施。4 结论 通过以上计算分析，直管段满足循环塑性变形、稳定性等的要求、弯头、变径、三通均满足疲劳分析的要求，因此直埋无补偿敷设技术完全适用于本项目。本项目是直埋无补偿技术第一次于南方集中供冷工程的工程应用，希望为其他类似工程设计提供借鉴。 参考文献： 1 中华人民共和国行业标准，城镇直埋供热管道工程技术规程（CJJ/T 81-98）. 北京:中国建筑工业出版社, 1998 2 中国工程建设标准化协会标准，给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程（CECS 141-2002）.北京: 中国工程建设标准化协会, 2003 3 (丹麦)皮特.兰德劳夫著. 贺平，王刚译. 区域供热手册. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社，1998 4 王飞，张建伟. 直埋供热管道工程设计. 北京:中国建筑工业出版社, 2007 8作者简介：刘芳毅，男，1983 年 10 月生，硕士研究生，工程师，注册设备工程师
