大管径直埋热水管道壁厚的计算和选择
郭琼;张俊
【摘 要】根据国内现行规范,对大管径直埋热水管道的强度条件、稳定条件进行阐述,对直埋管道壁厚的计算和选择进行探讨.应选择根据3种壁厚计算公式(通用壁厚计算式、基于刚度的壁厚计算式、局部屈曲壁厚计算式)计算得到的壁厚的最大值.基于刚度的壁厚计算式、局部屈曲壁厚计算式中的壁厚应为工作管最小壁厚,而非公称壁厚.
【期刊名称】《煤气与热力》
【年(卷),期】2015(035)011
【总页数】4页(P21-24)
【关键词】大管径;直埋热水管道;计算最小壁厚;公称壁厚;径向变形量
【作 者】郭琼;张俊
【作者单位】青岛能源设计研究院有限公司,山东青岛266000;山东三维石化工程股份有限公司,山东青岛266073
【正文语种】中 文
【中图分类】TU995.3
1 概述
目前我国北方城市在建的供热管网多采用直埋敷设，主管管径普遍在DN 1 000 mm 以上(最大直径达到DN 1 400 mm)，管网设计压力为1.6 MPa 及以上，供水设计温度为130 ℃。如何保证管道壁厚的选用安全、经济合理已成为现阶段供热工程设计的重要问题。
直埋敷设管道由于土壤和管道间存在相互作用力，管道移动要克服土壤的摩擦力和外压，从而使得直埋管道的位移受到，在轴向产生较大的轴向应力。
几十年来，国内外关于高轴向应力直埋管道的理论研究不断发展，积累了大量的设计、施工和运行经验，无补偿冷安装或预热安装凭借其无可比拟的经济性成为供热管网敷设的主流方法。2013年住建部发布了CJJ/T 81—2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》(以下简称《规程》)，为大管径直埋热水预制保温管的应用提供了规范依据。
2 管道壁厚的设计计算
①通用壁厚计算式
国内外各行业现行规范中对于管道壁厚的计算公式，均源自对环向应力的评定公式，直埋敷设管道亦如此。按照《规程》第5.2.1条，直埋热水管道工作管的壁厚计算公式(即通用壁厚计算式)为:
式中 δm——工作管最小壁厚，m
pd——管道计算压力，MPa
Do——工作管外直径，m
［σ］——钢材的许用应力，MPa
η——焊缝修正系数，无缝钢管取1.0，螺旋焊缝钢管取0.9
Y——温度修正系数，取0.4
B——管道壁厚负偏差附加值，m
χ——管道壁厚负偏差系数
δ——工作管公称壁厚，m
由公式(1)～(3)中参数含义可知，规范中对壁厚的计算就是对管道可承受最大内压力的计算，并且此计算式中考虑了焊缝修正系数、温度修正系数和管材生产偏差的影响。公式(1)与GB 50253—2003《输道工程设计规范》中关于壁厚计算的表述不尽相同，但同样都是基于只承受内压情况下对环向应力的评定条件。
实际上直埋管道深埋在土壤中，管道表面受到土壤压力作用，温度升高时直埋管道轴
向应力变化最大，这时候仅仅根据实际内压力对管道壁厚的影响得出的计算壁厚还很不够。
表1是对大管径(DN 700～1 200 mm)直埋高温热水管道(设计压力1.6 MPa，设计温度130 ℃)按照通用壁厚计算式得出的管道壁厚。其中，管道为Q235B 材质的螺旋缝钢管，其许用应力为125 MPa，管道壁厚负偏差系数为0.143。
表1 采用通用壁厚计算式得出的管道壁厚 mm
② 基于刚度的壁厚计算式
直埋管道在管顶土压力作用下，管道截面会出现椭圆化现象，即管壁产生不均匀径向变形。这种径向变形对于大管径的管道尤其明显，埋深较深或者穿越公路就会使得产生较大径向变形的可能性显著增大。如果变形超过一定限度，钢管将丧失承受外部荷载的能力，导致径向失稳［1］。
通常情况下，埋地管道在正常埋深(埋深＜5 m)并且没有车辆载荷或者其他动载荷作用时，可不必验算管道变形。但由于城市供热直埋管道敷设情况日益复杂，管道穿越道路和沿道路敷设的情况很常见，同时供热管道管径也不断增大，因此《规程》第5.4.4条明确规定了公称直径大于500 mm 的管道应按下列公式进行径向稳定性验算:
式中 ΔX——工作管径向最大变形量，m
p——管顶单位面积上总垂直荷载，kPa，包括管顶垂直土荷载和地面车辆传递到钢管上的荷载
E——钢材的弹性模量，kPa，Q235B 取E=2×108 kPa
r——工作管平均半径，m
式(4)虽来源于《规程》中的式(5.4.4－1)，但又与之稍有不同，式(5.4.4－1)中采用的是工作管公称壁厚，而式(4)采用的是工作管最小壁厚。
其中p 可以按照《规程》表5.4.4取值。由于大管径管道普遍埋深较深，管顶覆土深度超过1.6 m 时，更准确的垂直载荷p 可以根据下面公式计算［2］:
式中 pc——管顶垂直土荷载，kPa
pt——地面车辆传递到钢管上的载荷，kPa
γ——管顶回填土的容重，kN/m3，可取18 kN/m3
h——管顶覆土深度，m
μ——车辆载荷动力系数，当h≥0.7 m 时，取1.0
F——车辆轮压标准值，kN
l1——车轮顺车辆前进方向着地长度，m
l2——车轮顺车辆宽度方向着地长度，m
计算径向失稳时，应按直埋管道无内压状态验算在外力的作用下管子的变形，径向变形量应不大于管道外直径的0.03倍［3］，即满足ΔX≤0.03Do。
按照此方法(将以上计算式统称为基于刚度的壁厚计算式)对大管径(DN 700～1 200 mm)直埋高温热水管道(设计压力1.6 MPa，设计温度130 ℃)进行计算，得到计算最小壁厚，见表2。计算中F=70 kN，l1=0.18 m，l2=0.15 m。
表2 基于刚度的壁厚计算式得到的计算最小壁厚mm
在计算最小壁厚基础上，考虑管道壁厚负偏差，得到工作管的公称壁厚计算值，圆整后得到公称壁厚工程取值，见表3。由表3可知，随着埋深的增大，为保证直埋管道径向稳定，采用的管道壁厚也需要增大。因此，我们在进行热水管网设计时，对于埋深有显著变化的区域，应进行径向变形量验算。
③局部屈曲壁厚计算式
局部屈曲或者局部失稳会发生在管道横向截面内存在缺陷的管道系统中;有截面缺陷的管道如果受到外压和较高的轴向压应力作用时，缺陷部位会发生塑性变形的集中，出现局部皱结的现象，称之为管道的局部失稳［4］。钢管局部屈曲的根源是截面缺陷，截面缺陷通常在钢管的制造、现场管道的焊接、管道附件的安装过程中产生;工程技术人员应该提出更高的制造、施工要求以尽量避免截面缺陷的产生，但是截面缺陷总是不能完全避免。
表3 基于刚度的壁厚计算式得到的管道公称壁厚工程取值 mm
根据不同公式计算的径厚比(钢管外直径与壁厚的比值)差别很大，《规程》第5.4.2条规定公称直径大于500 mm 的管道应进行局部稳定性验算，并应符合下式(称为局部屈曲壁厚计算式):
式中 E1——钢材的弹性模量，MPa
αl——钢材的线膨胀系数，K－1，Q235碳钢可取1.2 ×10－5 K－1
t1——管道工作循环最高温度，℃
t0——管道计算安装温度，℃，取10 ℃
v——钢材的泊松比，取0.3
式(8)虽来源于《规程》中的公式(5.4.2)，但又与之稍有不同，式(5.4.2)中采用的是工作管公称壁厚，而式(8)采用的是工作管最小壁厚。通过式(8)计算得到计算最小壁厚，考虑管道壁厚负偏差得到工作管的公称壁厚计算值，圆整后得到公称壁厚工程取值。
按局部屈曲壁厚计算式计算的大管径(DN 700～1 200 mm)直埋高温热水管道(设计压力1.6 MPa，设计温度130 ℃)的壁厚见表4。
通过比较表1～4可知，以上3种壁厚计算方法分别采用了不同的条件，计算得
出的壁厚值差别也较大。工程实践中，在遵循规范的前提下，考虑到直埋管道的长期安全稳定运行，应选择根据上述3种壁厚计算公式计算得到的壁厚中的最大值。
表4 按照局部屈曲壁厚计算式计算的管道壁厚
④ 工作管最小壁厚与公称壁厚的区别
《规程》中公式(5.4.2)和公式(5.4.4－1)均采用工作管公称壁厚进行稳定性验算，实际上因为存在管道壁厚负偏差，管道壁厚不是均匀的，有些位置的壁厚小于公称壁厚，稳定性验算应该使壁厚最小处保持稳定。因此，为了保证稳定性验算的安全可靠，笔者认为应该采用管道最小壁厚进行稳定性验算，即式(4)、(8)中的壁厚应该为管道最小壁厚。
此外，GB 50316—2000《工业金属管道设计规范》中的公式(6.3.1－1)和(6.3.1－4)在计算管道的最大许用内压力时均采用的是管道有效厚度，即管道最小壁厚，道理是一样的。
3 工程应用实例
某供热工程的供热面积约为900 ×104 m2，供热管道总长度约为20 km，主干管管径为DN 800～1 000 mm，供热供、回水设计温度为130、70 ℃，设计压力为1.6 MPa，最大循环温差(管道工作循环最高温度与管道计算安装温度之差)为120 ℃，设计选用聚氨酯直埋热水管，施工方式采用无补偿冷安装。根据上述壁厚计算取值原则，主管道确定分别选用D820 ×10、D920 ×11和D1020 ×12的工作管。管网投入运行后顺利完成当年供热任务，说明该工程的选用壁厚是合理的。
4 结论和建议
①工程实践中，在遵循规范的前提下，考虑到直埋管道的长期安全稳定运行，应尽量选择通过通用壁厚计算式、基于刚度的壁厚计算式、局部屈曲壁厚计算式这3个壁厚计算式得出的结果中的最大值。
② 由于大管径直埋高温热水管道的锚固段内受到最大的轴向应力，管网设计中应尽量避免结构的不连续性，对于存在阀门、分支管、变径管的位置，可通过局部增加壁厚或者采用预热安装等方式降低管道轴向应力。
③对于大管径直埋管道，轴向应力影响管道壁厚的计算，单纯考虑内压力对壁厚的影响选择壁厚是不够的。
④ 考虑到直埋管道的不确定性，如穿越公路、厂站和过河等部分管道壁厚应当在按规范计算的直管壁厚基础上适当加厚。
参考文献:
［1］王飞，张建伟.直埋供热管道工程设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007:75.
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