0 前言
      供熱管道敷設可以采用以下幾種方法：地上敷設、管溝敷設和直埋敷設。與以往的管溝敷設方式相比，直埋敷設具有占地少、施工周期短、維護量少、節(jié)約投資、壽命長等優(yōu)點，同時，在國內外專業(yè)技術人員的共同努力下，直埋敷設技術不斷發(fā)展，這些都使得直埋敷設方式逐漸成為我國供熱管道敷設中最常用的敷設方式。
      近幾年來，隨著國內供熱管網規(guī)模的擴大，原有的直埋敷設管道的設計和施工方法已經不能滿足要求。一些權威的設計院采用在原有設計方法的基礎上引用國外的新技術或者重新考慮安全系數等方法來進行直埋敷設管道的受力設計，并在工程實際中不斷的積累經驗、探索和提出新的受力計算方法。
      本文對國內外直埋敷設發(fā)展現狀進行淺析。通過對相關文獻的研究和對國內的直埋敷設情況進行調研，提出供熱直埋敷設管道受力設計計算中存在的一些亟待解決的問題，并分析其解決方法和思路。
 
      1 直埋敷設發(fā)展現狀
      國內直埋管道的受力分析主要采用從國外引進的應力分析法[1]。應力分析法認為根據不同的應力作用形式，管道會發(fā)生不同形式的破壞，應采用不同的應力驗算方法。1976年北京市煤氣熱力設計院等五家單位合作在熱力管道無補償直埋敷設試驗研究中采用應力分類法進行無補償的理論研究和現場實測，證實了采用應力分類法理論計算結果的正確性。
      哈爾濱工業(yè)大學供熱實驗室針對直埋敷設管道的特殊性對其進行了模擬實驗，即對管道在土壤中的受力狀況進行實驗、測量。得出在管道運行初期和正式運行期間由于土壤摩擦系數的不同，造成過渡段長度的變化[2]。給直埋管道的設計和研究提供了實驗驗證。
      太原理工大學和太原熱力公司用三年的時間完成了大直徑管道摩擦系數的試驗研究。得出結論《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術規(guī)程》(CJJ/T81-98) [3]（以下簡稱《規(guī)程》）給出的回填土摩擦系數的取值范圍可以適用于大直徑管道的直埋敷設管道受力設計計算中[4]。
      北京煤氣與熱力設計院在實際工程中已經成功地在無補償冷安裝直埋敷設中使用了工作壓力2.5MPa；DN1000mm的供熱管道[5]。
      三通、彎頭等薄弱部件處的保護措施以及預熱方法等技術也在不斷的更新。
      由于直埋敷設的受力設計方法較為繁雜，國內外專業(yè)人士也致力于開發(fā)可以進行地下直埋管道受力計算的應用軟件，以簡化直埋敷設管道的受力計算。現在國內一些大的設計院中所使用的直埋受力計算軟件有哈爾濱工業(yè)大學王鋼博士用Dos語言編制的直埋應力計算軟件和從美國引進的CAESAR2軟件。國內的一些高校也相繼推出直埋敷設受力設計計算的相關軟件。
      目前國內外對于直埋管道受力的設計原則雖然不完全一致，但是大部分都遵循盡量避免整個管道中的有補償安裝，而只在局部薄弱部件處進行補償保護的原則。
      國內主要按照《規(guī)程》中的方法來進行直埋管道的受力計算。《規(guī)程》的實施給直埋敷設管道的受力設計提供了統(tǒng)一標準，使得《規(guī)程》執(zhí)行以來國內的直埋敷設管道受力設計規(guī)范化。《規(guī)程》對我國直埋敷設技術的發(fā)展意義重大，一直以來各個設計、施工以及科研單位在進行有關直埋敷設的工作中都大大的受益于《規(guī)程》。鑒于《規(guī)程》頒布時直埋敷設的發(fā)展狀況，《規(guī)程》中對直埋敷設的一些設計參數進行了限制，明確指出《規(guī)程》適用于供熱介質溫度小于或等于150℃，公稱直徑小于或等于500mm的鋼質內管、保溫層、保護外殼結合為一體的預制保溫直埋熱水管道。一些設備廠家的設計手冊中也給出直埋敷設管道的受力設計方法[6]。
 
      2 直埋敷設中存在的問題及解決思路
      近幾年的直埋敷設熱水管道很多都需要使用大直徑、高壓力的管道，原來的適用于小直徑管道的設計方法和公式亟待改進。同時，直埋技術不斷發(fā)展，大直徑管道的無補償安裝、薄弱部件加強等技術也越來越廣泛的應用于實際工程中。經過理論研究和實際調研，本文提出以下幾點直埋敷設管道受力設計中存在的問題以及解決相應問題的方法和思路：
      2.1 直埋管道受力設計方法適用范圍有待擴展
      《規(guī)程》中給出的直埋管道受力設計方法適用于供熱介質溫度不大于150℃，公稱直徑不大于DN500mm的一體型預制保溫管。而對于現在的供熱管道規(guī)格已經達到公稱直徑DN1000mm；管道的工作壓力也很高，一些工程已經使用了工作壓力2.5MPa的管道的無補償冷安裝直埋敷設[5]。
《規(guī)程》以及一些設備廠家設計手冊中給出的公式、圖表很多是對較低工作壓力、較小直徑管道的簡化結果，是否適用于大直徑、較高工作壓力的直埋敷設管道的受力設計還有待研究。另外，《規(guī)程》中對于固定墩推力的計算是基于粉質粘土或砂質粉土的情況，并按照一定的摩擦力下降規(guī)律給出的。沒有給出土壤特性及摩擦力情況不同時的計算方法。
      解決該問題的思路是以現有的管道受力設計方法為基礎，對現有的公式、原理進行深入分析，重點考慮大直徑管道的設計要點。 
      例如：在進行地下直埋管道受力設計中的單位管長摩擦力的計算時，《規(guī)程》中給出的計算公式為：
                                            （1）
式中 —軸線方向每米管道的摩擦力，N；
—土壤與管道之間的摩擦系數；
—管頂覆土深度；當H≥1.5m時，H取1.5m；
—預制保溫管外殼的外徑，m。
大直徑時管道的自重對摩擦力的影響較大，建議在計算單位管長摩擦力時考慮自重的影響[7]：
                  （2）
式中 —單位管重（包括流動介質），N。
      如果進行直埋管道的受力設計時不區(qū)分管道直徑的大小，統(tǒng)一用《規(guī)程》中的方法進行管道的相關受力計算，其計算結果可能不合理，容易造成工程上的隱患。
      2.2 直埋敷設安裝方式適用條件的分析
      直埋敷設安裝方式按照管段是否有補償可以分為：無補償安裝和有補償安裝；按照是否進行預應力可以分為：冷安裝和預應力安裝。雖然許多文獻中都對直埋敷設的安裝方式進行了較為詳盡的分析，但是在實際的工程中對于直埋敷設安裝方式的選擇還是有些混亂。安裝方式使用的不合理容易引起能源、管材的浪費或者管路系統(tǒng)潛在的不安全等。
      首先應該明確：不同的安裝方式對應著其所能解決的不同的管道失效方式，不同的失效方式所關注的管道的特征參數不同。換句話說，為了解決一定的管道失效方式，就應該對引起該失效方式的管道的特征參數進行控制與調整，而管道的特征參數的取值不同，就形成了不同的直埋敷設的安裝方式。這也是劃分不同的直埋敷設安裝方式的原則[8]。
      例如：管道的循環(huán)塑性變形破壞是由于管道在運行最高溫度 和最低溫度 之間進行循環(huán)工作時，管道發(fā)生循環(huán)塑性變形而產生的一種管道失效方式。這種失效方式對應的溫度特征參數是管道工作循環(huán)最高溫度和循環(huán)最低溫度之差 。為了避免這種失效方式的產生，就應該對 進行限制，使其小于產生循環(huán)塑性變形的允許溫差。當 不能滿足要求時，就應該采用其他方法來減小管道的應力和應變使其滿足要求，即可以對管道進行補償，使管道處于有補償狀態(tài)。從以上的分析可見，管道的有補償安裝方法可以解決管道的循環(huán)塑性變形問題，其對應的特征參數是 。而另一種直埋敷設安裝方式——預應力安裝方式是在管道運行前對管道的受力狀態(tài)進行的一種預處理，即提高管道的整體焊接溫度 ，并沒有改變管道運行的循環(huán)最高溫度 和循環(huán)最低溫度 ，可見預應力安裝方式不能解決管道的循環(huán)塑性變形失效。
      明確直埋敷設各種安裝方式的適用條件，就可以針對不同的管道情況采取相應的安裝方式，控制其對應的特征參數，保證管道安全、合理運行。
      2.3 對大直徑管道失效方式的研究不足
      供熱管道所涉及的失效方式主要包括以下7種[7]：
      無限制塑性變形：指的是管道的無限制塑性流動變形。
      循環(huán)塑性變形：管道溫度在工作循環(huán)最高溫度和最低溫度之間變化時，管道的變形就相應的在最大和最小、或者壓縮塑性變形和拉伸塑性變形間循環(huán)變化，這樣就容易產生循環(huán)塑性破壞。運行壓力越高、循環(huán)溫差越大，越容易產生循環(huán)塑性變形。
      低循環(huán)疲勞破壞：管道結構不連續(xù)處會產生相對于管道其他部分較大的應力，溫度的循環(huán)變化使得應力循環(huán)變化，引起管道的疲勞破壞。由于溫度的變化頻率較低，所以由溫度變化引起的疲勞破壞稱作低循環(huán)疲勞破壞。
      高循環(huán)疲勞破壞：由于車輛等的通過，其作用力會使管道產生應力集中。因為車輛荷載出現的頻率較高，所以稱之為高循環(huán)疲勞破壞。對于大直徑的直埋敷設，這種變形較易發(fā)生。
      管道的失穩(wěn)分為整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)。管道的整體失穩(wěn)分為垂直失穩(wěn)水平失穩(wěn)。
      由于管道的升溫軸向力的壓桿效應會使管道變彎，管段中產生較大的彎矩，從而引起垂直失穩(wěn)（豎向失穩(wěn)）。
      管道投入運行后，在管線附近平行開溝時，土壤側向的支撐作用減弱，極易產生管道的整體水平失穩(wěn)。
      目前在設計時只驗算垂直失穩(wěn)，而不驗算水平失穩(wěn)，即未考慮管道運行后的失效情況。
      局部失穩(wěn)：管路附件和承受高軸向壓力的管道也存在著失穩(wěn)的可能性，稱作局部失穩(wěn)。
      閥門的破壞：閥門由于受軸向應力而變形破壞或者失效，都會導致管道的失效。
      從以上幾種失效方式產生的機理來看，管道中發(fā)生不同失效方式的位置和情況都有所不同。直管以及不同的管路附件（直管、三通、彎頭、閥門等）對應著各自不同的失效方式。而現行的直埋管道受力設計方法中只考慮了其中部分的失效方式，是對小直徑管道等設計條件下管道應力分析的一種簡化。例如：《規(guī)程》中對于直管的受力設計只考慮了無限制塑性變形破壞、整體垂直失穩(wěn)和循環(huán)塑性變形，未考慮局部失穩(wěn)破壞。對于大直徑、較高工作壓力的管道，必須考慮管道的局部失穩(wěn)破壞[8]。
      隨著直埋管道規(guī)模的不斷擴大，在實際的受力設計中，應考慮大直徑管道受力特點，根據具體的情況，選擇相應的管道失效方式進行分析和驗算，才能保證管道受力設計的合理、工程的運行安全。
      3 結論與展望
      現有直埋敷設管道受力設計方法的使用范圍有局限性、管道失效方式計算不全；許多工程中直埋敷設的安裝方式使用混亂，難以選擇合理的受力設計方法進行實際工程的設計。本文對以上問題進行了探討，提出解決問題的方法和思路。在相關文獻的研究和調研的基礎上可以提出一套適合直埋敷設發(fā)展現狀的受力設計計算方法。完善現有直埋供熱管道受力計算方法和開發(fā)新的直埋管道受力計算軟件來明確和簡化直埋敷設的受力設計有著重要經濟和實用價值。