近年來隨著城市供熱管網(wǎng)的不斷發(fā)展，熱水管道直埋技術(shù)日益成熟，并越來越多地應(yīng)用于城市供熱工程中^[1-3]。直埋敷設(shè)管道中各點(diǎn)的熱位移、摩擦力及管道應(yīng)力等參數(shù)隨供熱管道升溫、降溫發(fā)生變化^[4、5]，由于管道布置形式不同，管道最不利的狀態(tài)不一定為管道達(dá)到最高工作溫度及管段處于錨固段時(shí)。有些管段因增設(shè)補(bǔ)償器，使管段處于過渡段內(nèi)工作，但由于管段的各種參數(shù)隨著供熱管道升溫、降溫發(fā)生變化，從而導(dǎo)致工作狀態(tài)偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)，對管件造成破壞。本文通過分析某種布置的管段應(yīng)力、熱位移的變化研究直埋管段熱位移對管道安全的影響。

1 直埋敷設(shè)管道的管段類型
　　直埋敷設(shè)供熱管道根據(jù)管道變形及應(yīng)力分布特點(diǎn)一般可分為過渡段、錨固段^[5-8]。
　　①過渡段
　　過渡段的一端為固定端(指固定點(diǎn)、駐點(diǎn)或錨固點(diǎn))，另一端為活動(dòng)端(補(bǔ)償器或彎頭)，當(dāng)管道溫度變化時(shí)，能產(chǎn)生熱位移。
　　在過渡段的活動(dòng)端處，溫度變化時(shí)管段基本處于自由伸縮狀態(tài)，隨著溫度的不斷升高，管段活動(dòng)截面從活動(dòng)端逐漸移向固定端，由于管段與周圍土壤之間的摩擦力作用，管段熱伸長受阻。隨著管段活動(dòng)截面逐漸接近固定端，摩擦阻力增加至與溫升產(chǎn)生的熱應(yīng)力相等，該點(diǎn)管道截面受力平衡，管段不能再向活動(dòng)端伸長，從而進(jìn)入自然錨固狀態(tài)，該點(diǎn)即為自然錨固點(diǎn)。過渡段中由于各點(diǎn)都有不同程度的熱位移，熱應(yīng)力得到部分釋放，因此過渡段的軸向熱應(yīng)力從活動(dòng)端的零值逐漸增加至固定端的最大值。
　　②錨固段
　　錨固段由于受土壤摩擦力的作用，管段熱伸長受阻，當(dāng)管道溫度發(fā)生變化時(shí)，不產(chǎn)生熱位移。在錨固段內(nèi)管道的熱伸長完全轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向應(yīng)力留存在管壁內(nèi)，使該管段應(yīng)力達(dá)到最大值。

2 長直管段的工作過程
　　在供暖期，直埋敷設(shè)供熱管道由安裝溫度逐漸上升至工作時(shí)的最高溫度，并在工作溫度下運(yùn)行。在非供暖期或檢修期，管道溫度下降至最低溫度。因此直埋敷設(shè)供熱管道的工作過程是一個(gè)升溫、降溫的循環(huán)過程。
　　為分析直埋敷設(shè)供熱管道在工作過程中各種參數(shù)的變化，本文利用圖解法分析理想直埋敷設(shè)供熱管道初次升溫、初次降溫及循環(huán)工作時(shí)的工作狀態(tài)。
　　一段直埋敷設(shè)長直管段(見圖1)，點(diǎn)A為活動(dòng)端，點(diǎn)B為自然錨固點(diǎn)。為簡化分析，設(shè)定管道工作循環(huán)最低溫度與安裝溫度相等，且不考慮補(bǔ)償器的阻力，并認(rèn)為該管段在彈性狀態(tài)下工作。點(diǎn)A至點(diǎn)B的長度為Lc。圖1中橫坐標(biāo)為長度L(單位為m)，縱坐標(biāo)為摩擦力F(單位為N)、應(yīng)力σ(單位為Pa)、應(yīng)變?chǔ)拧厣齮(單位為℃)等參數(shù)。
圖1 長直管段應(yīng)力等參數(shù)的分布
Fig．1 Distribution of stress and other parameters of
long straight pipeline section

　　①初次升溫時(shí)的工作過程
　　圖1中CD為升溫(溫度升高△t)后管段的溫度應(yīng)力曲線，OH′D為管道升溫膨脹時(shí)管道與周圍土壤之間摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力曲線，2條曲線在點(diǎn)D相交。在點(diǎn)D左側(cè)，摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力小于溫度應(yīng)力，管段AB可產(chǎn)生變形。OH′D也為第1次溫升后過渡段的應(yīng)力及應(yīng)變分布線。點(diǎn)D、C、D、H′、O圍成的陰影部分的面積為過渡段第1次溫升的伸長量。
　　②初次降溫時(shí)的工作過程
　　管道降溫(溫度下降△t)后，該管段溫度應(yīng)力分布曲線為線段OH′D的平行線FHE。線段OHG為管道降溫收縮時(shí)管道與周圍土壤之間摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力曲線，與升溫時(shí)摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力曲線大小相等，方向相反，即與OH′D對稱于OL軸。在點(diǎn)H左側(cè)，摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力小于溫度應(yīng)力，管段AB′可產(chǎn)生收縮變形。在點(diǎn)H右側(cè)，摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力大于溫降產(chǎn)生的應(yīng)力，管段B′B不能收縮。曲線OHE即為該管段第1次降溫時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變分布線。由圖1可知，當(dāng)管道溫度下降至安裝溫度時(shí)，點(diǎn)O、H、F、O圍成的面積為點(diǎn)O、H′、D、C、O圍成的面積的1/2，即升溫時(shí)的熱伸長在降溫時(shí)僅能收縮1/2，而且參與收縮的管段也僅為整個(gè)過渡段長度的1/2(即L_AB′=L_B′B)。
　　③循環(huán)工作過程
　　當(dāng)管道再次升溫(溫度升高△t)后，該管道溫度應(yīng)力曲線為OHE的平行線CH′D，而管道由于溫升摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力曲線仍為OH′D。在圖1中點(diǎn)H′左側(cè)，摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力小于升溫產(chǎn)生的應(yīng)力，管段AB′可受熱伸長。在圖中點(diǎn)H′右側(cè)，摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力等于溫升產(chǎn)生的應(yīng)力，管段B′B不能伸長。由以上分析可知，彈性工作狀態(tài)下管道初次升溫、降溫與循環(huán)工作時(shí)的狀態(tài)有所不同。

3 短過渡段的工作過程
　　當(dāng)實(shí)際過渡段長度小于極限過渡段長度時(shí)，應(yīng)注意分析各種工作過程中熱位移、摩擦力及管道應(yīng)力等各種參數(shù)的變化及與相鄰過渡段之間的相互影響。
　　一段直埋敷設(shè)供熱管段(見圖2)，兩端均為活動(dòng)端，A端為軸向型補(bǔ)償器，B端為豎向彎頭，在立管上設(shè)置復(fù)式拉桿型波紋管補(bǔ)償器。點(diǎn)C為初次升溫運(yùn)行時(shí)的駐點(diǎn)。為簡便分析，假定升溫、降溫的溫差均為△t。
　　①初次升溫時(shí)的工作狀態(tài)
　　初次升溫時(shí)，管道的工作壓力在A端產(chǎn)生壓應(yīng)力σ₁(單位為Pa)，在B端產(chǎn)生拉應(yīng)力σ₂(單位為Pa)。隨著管道工作溫度的升高，線段GH為管段AC升溫伸長時(shí)與周圍土壤之間的摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力曲線，線段HI為管段CB升溫伸長時(shí)與周圍土壤之間的摩擦力的應(yīng)力曲線。經(jīng)比較，溫度應(yīng)力曲線DEF上的任意值均大于摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力曲線GH及HI上的對應(yīng)值，交點(diǎn)H對應(yīng)管段駐點(diǎn)C，因此曲線GHI為管段AB初次升溫時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變分布線。

圖2 短過渡段應(yīng)力等參數(shù)的分布
Fig．2：Distribution of stress and other parameters of short
transition pipeline section

　　②初次降溫時(shí)的工作狀態(tài)
　　初次降溫時(shí)，由于溫度下降、管道收縮時(shí)摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力曲線分別為線段GJ和IJ，溫度應(yīng)力曲線為GHI的平行線XYZ。經(jīng)比較，溫度應(yīng)力曲線XYZ上的任意值均大于摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力曲線GJ及IJ上的對應(yīng)值，因此曲線GJI為管段AB初次降溫時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變分布線。交點(diǎn)J對應(yīng)管段節(jié)點(diǎn)C′，因此降溫運(yùn)行時(shí)管道駐點(diǎn)移至點(diǎn)C′。
　　此時(shí)管段AC′收縮量為點(diǎn)G、J、N、Y、X、G圍成的面積，管段C′B收縮量為點(diǎn)I、J、N、Z、I圍成的面積。
　　③再次升溫時(shí)工作狀態(tài)
　　管道再次升溫時(shí)溫度應(yīng)力曲線為GJI的平行線DST。管道升溫伸長時(shí)摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力曲線分別為線段GH及HI，交點(diǎn)H再次對應(yīng)管段節(jié)點(diǎn)C，因此再次升溫運(yùn)行時(shí)管道駐點(diǎn)又移至點(diǎn)C。溫度應(yīng)力曲線DST上的任意值均大于摩擦力應(yīng)力曲線GH及HI上的對應(yīng)值，因此曲線GHI為管段AB再次升溫時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變分布線。
　　此時(shí)管段AC伸長量為點(diǎn)D、M、H、G、D圍成的面積，管段CB伸長量為點(diǎn)H、M、S、T、I、H圍成的面積。
　　④循環(huán)工作狀態(tài)
　　由以上分析可知，管段在循環(huán)工作過程中駐點(diǎn)位置在點(diǎn)C、C′間移動(dòng)，管段的部分伸長量從A側(cè)轉(zhuǎn)移至B側(cè)。降溫時(shí)管段AC′增加的收縮量(圖2中降溫變形量)當(dāng)再次升溫后會(huì)增加到管段CB的伸長量(圖2中升溫變形量)上。因此會(huì)導(dǎo)致管段A端的軸向型補(bǔ)償器升溫變形后，在降溫時(shí)不能回到初始狀態(tài)，而是被拉長，而管段B端的復(fù)式拉桿型補(bǔ)償器升溫變形后，在降溫時(shí)也同樣不能回到初始狀態(tài)，而是由于位移量的增大，偏向右側(cè)。這樣循環(huán)工作若干次后，會(huì)導(dǎo)致A端的軸向型補(bǔ)償器處于受拉狀態(tài)，直至破壞，而B端的復(fù)式拉桿型補(bǔ)償器則會(huì)因?yàn)槌^額定補(bǔ)償量而損壞。

4 結(jié)語
　　由于實(shí)際工程中影響管道布置的因素很多，管道布置的類型各不相同，且過渡段內(nèi)管道作用力、應(yīng)變、應(yīng)力及位移的變化情況較復(fù)雜。若管道布置不合理，會(huì)對管件造成不同程度的破壞，從而會(huì)影響到整個(gè)管網(wǎng)的正常運(yùn)行，造成不必要的損失。因此設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行直埋供熱管道布置時(shí)，不僅應(yīng)計(jì)算管道最高循環(huán)工作溫度下的熱位移以及對管道進(jìn)行受力計(jì)算及應(yīng)力驗(yàn)算，還應(yīng)盡量避免過多設(shè)置補(bǔ)償器而形成過渡段較多的情況，并核算分析直埋管道在工作溫度循環(huán)變化過程中管道應(yīng)力、摩擦力的變化，以免造成管件的破壞，影響管道的安全性。