直埋无补偿冷安装技术在长输管线中的应用
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【摘 要】本文简要介绍供热管道直埋敷设方式，从管道安全性、经济性等方面分析直埋无补偿冷安装技术的优势。设计直埋供热管道的强度时应该积极采用不同的技术措施，这样才能避免因管道性质不同从而产生不同应力对管道的破坏，因此我们需要研究选择不同的安装方式要具体问题具体分析，针对不同的管段采用不同的措施，这样才能够使得直埋热管道有效运行。
【关键词】供热管道直埋敷设无补偿冷安装
目前国内供热管道直埋敷设已被广泛地应用在供热工程中，并实现了无补偿的直埋敷设。而在无补偿直埋敷设供热管道中，以直埋无补偿冷安装敷设方式最经济，工期最短，是目前国内大力推广的敷设方式。我集团在2015年至2016年建设的某大型管网中采用了此项技术，该工程主干线DN1200管道23.9公里（沟长），DN1000管道3公里（沟长）、DN800管道3.6公里（沟长），均采用了直埋无补偿冷安装敷设方式。
一、直埋管道中的应力分析
1管道荷载
直埋供热管道的荷载包括两个方面：一是工作压力，另一个是温度变化。在直埋供热管道工作时，管道压力不发生变化，与管道发生形态没有任何关系，这时所产生的力我们称之为一次应力，由于温度变化对管道产生的热应力作用，比如热胀冷缩位移作用，这时产生的力我们称之为二次应力。
一次应力：由于工作管道的压力而在管道中产生的应力。二次应力：由于工作管道温度的变化，管道因热胀冷缩而变形，这种變形不能自由释放，因此就在管道中产生的热应力。峰值应力：在承受一次应力，同时又有二次应力作用的情况下，直埋管道的相关管件释放应力作用下的形变，这时就会在管件上产生相应的应力我们称之为峰值应力。
2土壤的影响
一般情况下在地沟敷设和架空敷设中，由于管道的自重，管道会有一个轴向的弯曲变形，但是在土壤中，土壤能够在一定程度上起到支撑作用，这也就使得管道能够减少相应的弯曲变形，所以对于其在管道刚度以及强度上的影响，我们一般可以忽略。管道温度上升由于土壤而产生的摩擦力和压缩反力，这就使得供热管道因热胀冷缩而产生的形变受到一定的限制，这样就会产生较大的二次应力。
三、供热管道直埋敷设方式
1有补偿直埋敷设
有补偿安装是指在供热管道上加装补偿器，利用补偿器来吸收管道的热膨胀变形，从而使管道应力下降的模式。管道和土壤之间摩擦力产生的应力较大，补偿段长度较短，管网中需设置大量补偿器。一般每150米至200米需加一对补偿器。
2无补偿预热安装直埋敷设
无补偿预热安装，即在回填土前将管道加热到预热温度60℃～70℃，使管道预热膨胀后再覆土，当管道恢复到安装温度10℃时，管道受冷收缩，预承受一定的拉应力；当道投产运行时，随着温度的升高管道的拉应力逐渐减小，当达到预热温度时管道的应力趋于零，当管道继续升温产生压应力，随着温度的升高压应力逐渐增大，当温度升至工作温度时管道的热应力（压应力）达到最大。由于管道预热安装在10℃到预热温度受拉，而在预热温度到120℃（工作温度）受压，在整个运行期内管道的应力在60℃～70℃时处于应力平衡状态。此方法对施工质量的要求较高，预热费用也比较大。虽不需加补偿器，但需将管道加热到60℃～70℃后方可回填，此种方式一般要大面积敞沟预热。
3无补偿冷安装直埋敷设
无补偿冷安装就是指供热管道的整体焊接温度等于沟槽回填时的温度，即管道焊接和沟槽回填等安装过程都是在正常的环境温度下进行的。由于不需补偿也无预应力，这时的管道处零应力状态，在发生温度变化时，管道产生的相应的应力和活动端处的位移量都较大。按照设计原理通常把无补偿敷设管道应力验算分为两类：一是弹性分析法，二是安定性分析法。一般来说用弹性分析法要按第四强度理论计算，即管道的工作温差比管道的屈服温差小，在这种情况下管道可以进入锚固段，换一句话说，管道运行最高温度和安装温度，这两者的差，比按强度条件计算的最大温差小，在这种情况下长直管段中一般就不用设补偿器。
四、直埋无补偿冷安装技术在设计及施工中的关键点及相应措施
1管道敷设
由于市区地下障碍物较多，穿越市区敷设的管道容易出现折角，在管道布置中可将大折角分解成几个小角度折角进行敷设。对于相距较近的折角，将其分解为小折角会比较困难，可采用大弯曲半径的弯管来代替大折角，加大弯曲半径可将弯管视为直管道，将应力分散，从而避免折角处由于预应力集中而产生低循环疲劳破坏或局部失稳破坏的现象。在我集团采用直埋无补偿冷安装敷设的DN1200管网中，小于等于3°的折角采用5倍公称直径的弯曲半径，小于等于5°的折角采用10倍公称直径的弯曲半径，小于等于7°的折角采用20倍公称直径的弯曲半径，小于等于10°的折角采用40倍公称直径的弯曲半径，在实际运行中效果显著，未出现任何运行事故。施工中，平面折角应小于1°，另外竖向坡度变化应该小于2%，这种情况下，管道可视为直管段。
用，从而降低成本，减少弯头带来的隐患，保证管网安全稳定的运行。
2弯头壁厚及弯曲半径
弯头作为直埋供热管道的重要构件，既是过渡段热膨胀的自然补偿器，又是管道系统受保护的元件。当弯头侧壁较长、曲率半径较小、循环温差较大时，会产生峰值应力，发生低频次的循环塑形变形，在循环一定次数后发生疲劳破坏。为了增加弯头强度，在设计中需使用大弯曲半径的弯头，所有大口径直埋管道弯头的弯曲半径应根据实际情况选取，一般为3倍～5倍公称直径，而且弯头的壁厚比相同管径的钢管壁厚2mm，这样可以增加弯头的刚度，克服弯头疲劳破坏。在我集团的大型管网中，根据计算DN1200的弯头均采用4倍公称直径的的弯曲半径，现场实际运行效果良好。
3采用管材整体式预制保温结构
供热管道可采用高密度聚乙烯预制保温管及耐高温的聚氨酯保温材料，保证工作钢管、聚氨酯泡沫塑料保温层和高密度聚乙烯外护管紧密地连接成一个“三位一体”的结构。当管道温度变化时，钢管的热胀冷缩变形可以通过保温层传到外护管，使外护管与周围回填土之间发生滑动，同时外护管上的土壤摩擦阻力又通过保温层限制钢管的热胀冷缩变形。保温接头的处理，一般情况下在接口发泡时环境温度不低于10℃，在接口钢管表面两侧保温端面不能存在水分油污等杂质，预制直埋保温管在现场切割后必须及时并彻底清洁钢管表面，要确保没有泡沫残渣的存在，在保温接头的外套管和外护管连接时需要采用电热熔焊及热塑带双重做法。
4焊接及检验要求
现场焊接及检验也应有较高的要求，现场焊接应保证焊透，管径大于或等于DN400的钢管及管件焊接应采用氩弧焊打底，并采用双面焊。由于大口径高参数无补偿冷安装集中供热技术的技术要求高，为确保工程质量，在管道焊接中，应遵守国家的相关规定，在进行钢管及管件的焊接时，一般需采用氩气保护焊打底双面焊，同时要确保焊缝表面没有裂纹，气孔，夹渣等等缺陷的存在，同时不能有漏焊欠焊的情况。在我集团上述工程中，要求施工单位必须采用超声波100%探伤，射线20%复检，复检位置均为关键位置，如管件处、车行道下等。
5试压、试运行中的注意事项
在把管道正式投入使用前，对管道进行试压等是一个十分重要的环节。管道试压：其试压方式一般为水压试验。所谓水压试验就是在充水的同时打开放气阀门使其排净其中的空气，在进行实验时相应的环境温度不应低于10℃。试压过程一般包括两个方面：一是严密性试验，二是强度试验。我集团的上述工程中，因管网的设计压力为2.0MPa，在打压实验中，采用高压消防泵将管网压力打至3.0MPa，并持续30min，检查管网无漏点，完成打压实验，证明管网是安全可靠的。
（作者单位：辽河油田建设有限公司）
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