[科普中國]-直埋敷設(shè)

直埋敷設(shè)簡稱直埋。也就是直接埋設(shè)，是指管道直接埋設(shè)于土壤中的敷設(shè)方式。但直接埋設(shè)根據(jù)管道的種類有很多要求的，比如常見的熱力管道，即城鎮(zhèn)供熱管道敷設(shè)，它一般是雙層鋼套管直接埋地敷設(shè)，分為無補償敷設(shè)方式和有補償敷設(shè)方式。直埋敷設(shè)與地溝敷設(shè)相比，具有如下特點：不需要砌筑地溝，土方量及土建工程量較少，管道預(yù)制，現(xiàn)場安裝工作量減少，施工進度快，可節(jié)省供熱管網(wǎng)的投資費用；占地小。

簡介集中供熱相對眾多分散的小鍋爐， 具有環(huán)保、節(jié)能、方便舒適、安全衛(wèi)生、節(jié)約土地、節(jié)約費用的優(yōu)勢， 已成為現(xiàn)代化城鎮(zhèn)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，是城鎮(zhèn)公共事業(yè)的重要組成部分。隨著城市化發(fā)展進程，集中供熱快速發(fā)展，供熱面積不斷擴大，對供熱管道的直埋敷設(shè)技術(shù)要求也越來越高。如何更好的節(jié)約成本，確保管網(wǎng)的運行安全成為供熱行業(yè)的重要課題。供熱管道直埋技術(shù)就是將預(yù)制的保溫管道直接埋入地下，利用管道自身的機械強度及其附件來共同承受管道供熱時產(chǎn)生的熱應(yīng)力的一項技術(shù)。經(jīng)過多年的實踐與發(fā)展，為滿足供熱系統(tǒng)運行的安全可靠，同時盡量減少投資和維護方便，供熱管道存在多種的敷設(shè)方式1。

直埋管道破壞的方式供熱管道的設(shè)計壓力一般為0.6～2.5MPa；通過對管道的應(yīng)力分析，可知其內(nèi)壓力的實際應(yīng)力遠遠小于管材的屈服應(yīng)力。由于管道的溫升使管道產(chǎn)生了較大的軸向力和壓應(yīng)力，所以在管道設(shè)計與選擇中應(yīng)予以充分的重視。熱力管道主要存在以下5種破壞方式：

1）循環(huán)塑性變形。溫度變化對管道的循環(huán)塑性變形起決定性作用。當(dāng)較大的溫度變化，而熱脹變形又不能完全釋放時，在加熱過程中，管壁因軸向壓應(yīng)力而產(chǎn)生軸向壓縮塑性變形；而冷卻時，管壁因軸向拉應(yīng)力而產(chǎn)生軸向拉伸塑性變形；當(dāng)溫差超過一定范圍后，將會出現(xiàn)管道破壞的現(xiàn)象。

2）低循環(huán)疲勞破壞。應(yīng)力集中通常發(fā)生在管線中的彎頭、三通、大小頭及折角處。在溫度變化過程中， 應(yīng)力集中在管道結(jié)構(gòu)不連續(xù)處產(chǎn)生的峰值應(yīng)力，會引起管道的疲勞破壞。

3） 高循環(huán)疲勞破壞。車輛重量通過車輪和土壤，可作用在車行道下的管道上，使管道局部截面產(chǎn)生橢圓變形，相應(yīng)的會產(chǎn)生應(yīng)力集中。

4）整體失穩(wěn)。直埋管道在運行工況下的軸向壓力最大，由于壓桿效應(yīng)，可能會引起管線的整體失穩(wěn)。特別是對于溫升較大的無補償冷安裝方式，溫升作用完全轉(zhuǎn)化為很高的軸向壓力，極易出現(xiàn)整體失穩(wěn)破壞。對此，CJJ/T104-2005《城鎮(zhèn)直埋供熱管道技術(shù)規(guī)程》中有詳細(xì)的公式計算，滿足其計算即可保證DN500 以下的管道整體不出現(xiàn)失穩(wěn)情況。

5）局部失穩(wěn)。一方面是管道的軸向應(yīng)變，即熱脹變形的大小和熱脹變形的釋放程度。另一方面從管道局部看，管道屬于薄壁殼體，在軸向壓力作用下，管壁存在受壓局部失穩(wěn)的問題。通過公式計算表明，局部失穩(wěn)的可能性，隨著管壁的增厚而減小，但隨著鋼管平均半徑增大而增加。因此，一定的覆土深度對應(yīng)一定的鋼管臨界壁厚。

從以上的5種破壞方式來看，熱力管道的運行安全與軸向應(yīng)力有密切的關(guān)系，而軸向應(yīng)力主要取決于溫度應(yīng)力。當(dāng)管道直徑大于DN500時，局部屈服的可能性大大增加，為了降低局部屈服的可能性，必須對溫度應(yīng)力進行控制，同時根據(jù)不同的控制方式方法考慮直埋管道的敷設(shè)方式2。

無補償冷安裝方式無補償冷安裝方式是最簡單最經(jīng)濟的安裝方式，即管道在覆土前不加預(yù)應(yīng)力，也不設(shè)置補償器。由于土壤摩擦力的存在，管道將存在錨固段、滑動段。當(dāng)管道處于錨固段時，熱脹應(yīng)力全部轉(zhuǎn)化為溫度應(yīng)力， 使管道在運行工況下承受較高的軸向壓力。所以錨固段管道的最大壓應(yīng)力與最大溫度變化成正比；當(dāng)管道處于滑動段時，熱脹應(yīng)力不能全部轉(zhuǎn)化為溫度應(yīng)力，管道將受熱伸長。

敞溝預(yù)熱安裝方式管道預(yù)熱安裝方式是管道在回填前進行預(yù)熱，加熱到預(yù)熱溫度時進行回填。當(dāng)管道運行溫度等于預(yù)熱溫度時，管道應(yīng)力為零，管道運行達到最高溫度時，管道受到壓應(yīng)力，當(dāng)管道恢復(fù)至環(huán)境溫度時，管道產(chǎn)生拉應(yīng)力，即產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力效果。敞溝預(yù)熱方式可以節(jié)省預(yù)熱管段的補償器和固定頓，從而減少工程的造價2。

一次性補償器覆土后預(yù)熱采用一次性補償器覆土后預(yù)熱是將管道分段設(shè)置一次性補償器，管道安裝后可立即回填。在首次加熱過程中，當(dāng)補償管段的熱脹變形量達到在預(yù)熱溫度下的自由膨脹變形量時，就可焊接一次性補償器。通過多次的溫度變化，使應(yīng)力均勻分布，從而達到預(yù)應(yīng)力效果。

補償器、補償彎和固定墩的敷設(shè)方式有補償?shù)闹甭穹笤O(shè)， 可以采用自然的L、Z、U型的彎管作為補償裝置，但是實際工程中不可能有條件提供這么大的占地，因此通常都采用補償器進行補償。為防止補償器受到單側(cè)不均勻膨脹變形而損壞，所以在補償器一側(cè)設(shè)置固定墩。對于應(yīng)力集中的彎頭、三通、大小頭等地方設(shè)置固定墩來保護應(yīng)力集中的管件。

管道系統(tǒng)由于安裝了補償器，使得管道的熱脹應(yīng)力在熱態(tài)運行中得到了釋放，避免了部分管線被完全錨固， 因此管道的應(yīng)力保持在較低的水平上，也使管壁局部屈服的危險性最小。

由于增加了固定墩和補償器，管道的熱脹變形在熱態(tài)的時候得到了充分的釋放，使得整個管段完全處于滑動狀態(tài)。因此管道的應(yīng)力降到最低，管壁的局部屈服的危險也最小。同時使得工程的投資相應(yīng)的增加。但是為了減少工程的投資，也可以將供熱管道的供回水管道采取不同的敷設(shè)方式，確保工程的設(shè)計方案在技術(shù)經(jīng)濟方面安全、合理3。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

王強 - 副教授 - 西南大學(xué)