049 直埋热水供热管道弹性敷设设计方法

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1、直埋热水供热管道弹性敷设设计方法中国市政工程西北设计研究院有限公司张军 摘要直埋热水供热管道弹性敷设使供热管道按更自然的方式沿街道或地形进行敷设，该种敷设方式利用管道自身的弹性变形实现管道的弯转，减少了人为设置的补偿器、补偿弯管和固定墩，是最简单、最经济的直埋管道安装方式之一。关键词直埋热水管道弹性弯曲强度计算曲率半径转角1引言城镇直埋热水供热管道敷设在道路下方时，由于受地形、地貌和城市道路下面其他市政公用设施的限制，一般情况下经城市规划部门报批的管位均平行道路的中心线，而道路的中心线并不都是笔直的，有时道路中心线甚至会是大曲率的S型曲线（图1），敷设在道路下的管线弯曲现象是

2、大量存在的。要实现管线顺道路弯曲，通常的做法是将弧线或曲线分解为若干段夹角为单斜接焊缝折角和转角（弯管）的直线段，然后根据应力强度条件在直线段上设置补偿器和固定墩。但这种通常做法人为的设置了大量补偿器和固定墩，而补偿器是管道系统中极易损坏的部件，设置补偿器增加了管网的事故概率，设置固定墩破坏了直埋管的保护壳，增加了焊接点，降低了直埋管管系保护壳的整体密闭性，使地下水宜渗入而腐蚀钢管。上述做法其缺点不但增加了管道的事故概率，而且增加了工程施工难度和工程投资。图1本文针对上述问题，提出了弹性弯曲管道（曲管）设计方法。直埋热水供热管道弹性敷设可使管道在其弹性范围内弯曲以满足直埋管道

3、沿道路或地形敷设要求，即利用管道自身的弹性变形实现管道的弯转。这种设计方法简化了弯曲路段直埋管道的设计，减少了温度变化引起的管道疲劳危险点数，提高了管网系统的使用年限，减少了管道接头，延长了管道的使用寿命，节约了管件设备，降低了施工难度，具有占地小、投资少等优点，是应优先考虑的热水供热管道直埋敷设处理方式之一。2弹性弯曲管道（曲管）设计采用弹性弯曲管道（曲管）代替单斜接缝折角和转角（弯管），可避免应力集中。由于没有人为设置的补偿器和补偿弯管，以及补偿器所需的检查井、固定墩和补偿弯管所多占的线位，弹性弯曲管道（曲管）是最简单、最经济的直埋热水供热管道安装方式。管道任意折角（转角

4、）的方向改变都可以采用弹性弯曲管道（曲管）来实现，所有管径的管道都可以用弹性弯曲管道（曲管）安装。在弹性弯曲管道（曲管）设计中可以通过先焊接直管，然后在弯曲沟槽中利用管道的弹性改变管道的方向，在沟槽回填前用诸如沙袋的物体支撑管道，采用弹性弯曲管道的方法安装。7弹性弯曲可以在水平方向进行，也可以在垂直地面方向上进行。3弹性弯曲管道（曲管）强度计算直埋热水供热管道管壁中的环向应力和轴向应力组成的当量应力应满足下式：（1）（2）式中：—当量应力，MPa—管道内压产生的环向应力，MPa—弹性弯曲管道由内压、温度和弹性弯曲产生的轴向应力，MPa—管材的屈服极限，MPa—管道的计算内压，

5、MPa—管道的内径，m—管道的公称壁厚，m注：计算应力时，拉应力为正号，压应力为负号。弹性弯曲管道由内压、温度和弹性弯曲产生的轴向应力，可按下列公式计算：（3）（4）（5）式中：—温度应力，MPa—内压引起的泊桑应力，MPa—管道弹性弯曲时的弯曲应力，MPa—土对管道的约束系数，取0.75—管材的线膨胀系数，m/（m.oC）—管材的弹性摸量，MPa—管道循环最高工作温度，oC—管道计算安装温度，oC—泊松比运行中的管道不仅承受弹性弯曲应力，在管道轴向还有内压、温差等其它荷载产生的应力。显然，当其它荷载一定时，就需要对管道弹性弯曲应力给予一定的限制，以使弹性弯曲管道总的当量应力

6、变化范围不超过管材的屈服极限，保证管道能正常工作，由式（1）（3）（4）（5）得出管道弹性弯曲应力强度条件：（6）7式（6）中根据材料力学，管材的弹性模量随温度升高而下降，温度≤140oC时的低碳钢的弹性模量按下式计算：MPa（7）式（6）中根据材料力学，管材的线膨胀系数随温度升高而上升，温度≤140oC时的低碳钢的弹性模量按下式计算：（8）对于大多数的热水集中供热工程而言，由于乘积变化不大，因此采用E=2.1×104MPa和α=1.2×10-5就具有足够精度了。当弹性弯曲管道在土壤中横向移动时，弹性弯曲管道弧外侧产生较大的拉应力，拉应力过大会损坏外套管和保温材料。为确保均匀

7、的曲率和不损坏外套管和保温材料，直埋管道钢管中的弹性弯曲应力应限制在210MPa的范围内，即≤210MPa。4满足强度要求的管道曲率半径根据虎克定律，材料在弹性范围内应力与应变成正比关系，即：（9）由材料力学可知，钢管弯曲线应变：（10）式中:—钢管弯曲线应变—钢管外径，m—管道弯曲的曲率半径，m将式（10）代入式（9）得管道弹性弯曲应力：（11）由此，管道弯曲满足强度要求的曲率半径R计算式为：（12）管道弯曲满足强度要求的最小曲率半径计算式为：（13）5弹性弯曲管道（曲管）设计参数7设计中为节约管材、