直埋供热管道解析计算法

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直埋供热管道设计浅析

Technology Forum︱444︱华东科技直埋供热管道设计浅析直埋供热管道设计浅析徐成军储进昌范坤良（中国核电工程有限公司郑州分公司，河南郑州 450052）【摘要】本文简要介绍了直埋供热管道设计的基本方法，针对管道设计中的应力验算、热伸长量计算等难点进行了分析，为设计者提供了一些参考的措施和建议。

【关键词】直埋；供热；管道；验算城镇热力管网有架空敷设、管沟敷设、直埋敷设等多种敷设方式，其中直埋敷设具有基建工程少、建设周期短、投资省、对建筑物及交通影响小等诸多优点，在我国城镇热力管网工程中得到了普遍使用，是城镇热水供热系统优先采用的管道敷设方式。

1 确定敷设方案根据设计输入资料及现场踏勘结果，选择最经济合理的管道布置路径和安装方式。

热力管道布置的总体原则应该是技术可靠、经济合理和施工维修方便，综合考虑供热区域的城市规划、热源位置、热负荷分布以及道路交通、建筑物、水文地质等多方面因素。

直埋供热应采用工作管、保温管、外护管为一体的工厂预制管道，保温层厚度应满足设计规定，运行时管道外护管表面温度应小于50°。

直埋供热管道与其他设施的净距、最小覆土深度及其他敷设要求应符合城镇供热直埋热水管道技术规程CJJT81-2013的规定，同时需要根据管道布置的相关参数对管道进行应力验算。

2 管道的应力验算直埋供热管道在运行过程中受热应力及土壤作用力的影响，可能发生强度破坏和丧失稳定性等破坏方式，因此必须对管道进行应力验算以保证管道的运行安全。

2.1 工作管直管段的应力验算根据规程，管道的应力验算采用应力分类法，相关计算参数按规程规定取值。

现行规程根据安定性分析原理，对工作管直管段进行应力验算，公式如下：（1）（2）式中：σj—内压、热胀应力的当量应力变化范围(MPa)；v—钢材的泊松系数，取0.3；σt—管道内压引起的环向应力(MPa)；α—钢材的线膨胀系数[m/(m·℃)]；E—钢材的弹性模量(MPa)；t1—管道工作循环最高温度(℃)；t2—管道工作循环最低温度(℃)；[σ]—钢材的许用应力(MPa)；L—设计布置的过渡段长度(m)；A—工作管管壁的横截面积(m2)；F max—单位长度最大摩擦力(N)。

关于供热管网无补偿直埋敷设方式的探讨

关于供热管网无补偿直埋敷设方式的探讨摘要：供热管道无补偿直埋敷设的方式和传统的有补偿敷设相比较，无补偿敷设大大地减少了固定支架和补偿器的数量，同时冷安装的施工方式也减短了施工周期，在运行中减少了管网的漏点，在我国供热行业中具有十分重要的意义。

关键词:供热管道；无补偿；直埋敷设1无补偿直埋供热管道敷设的计算与设计1.1管材分析应用在供热管道上的管材多为低碳钢Q235。

我们首先就要了解低碳钢Q235的材料特性。

伸长率δ<5%的材料为脆性材料，伸长率δ>5%的材料为塑性材料。

Q235塑性伸长率可达20%～30%（一般取26%），断面收缩率Ψ≈60%。

由此可见Q235钢是一种塑性较好的一种材料，从Q235钢拉应力性能曲线上来分析它在不同应力阶段的变化情况。

（1）弹性阶段。

OA 为弹性变形阶段，σp为比例极限，拉应力与变形保持正比例关系，Q235钢的比例极限σp=200MPa，σe为弹性极限（AB段）δ与ε间的关系不再成正比，但变形仍是弹性的。

A与B非常接近，在工程不对弹性极限和比例极限并不严格区分。

（2）屈服阶段。

屈服：当应力超过B点到达C点后，应力σ呈现幅度不大的波动而变形却急剧地增长，这种现象称为屈服。

C点为屈服高限，D1为屈服低限，通常将屈服低限称为屈服极限，Q235钢的屈服极限σs=235MPa。

（3）强化阶段。

强化：经屈服后，材料又增强了抵抗变形的能力，这时要使材料继续变形，就需要增大拉力，这种现象称为强化。

D1D段为强化阶段。

Q235钢的强化极限σb=375MPa。

（4）局部变形阶段。

从D开始，杆件某一局部横截面急剧收缩，出现颈缩现象，到E点时被拉断。

1.2管道设计要求（1）针对市区地下敷设的管道易产生折角的现象，在管道布置中将大折角分解为几个小角度折角进行敷设。

对于相距较近的折角，由于将其分解为小折角会很困难，则采用大弯曲半径的弯管来代替大折角，从而避免了折角处有预应力集中而产生低循环疲劳破坏或局部失稳破坏。

直埋热水管道热位移的计算分析

ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｅｘｐｏｕｎｄｓｔｈｅｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｃｅｏｆｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍ
过分析直埋热水管道在设计条件下的受力状况，阐述了过渡段最小长度、过渡段最大
长度和屈服温差对于直埋热水管道计算的重要意义．讨论了管道在不同条件下热位移的影响因素和计算方法，对于直埋热水管道的合理设计、安全运行具有重要意义
ｗａｔｅｒｐｉｐｅｌｉｎｅ
ＢｙＣｈｅｎｇＬｉａｎｇ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｄｉｒｅｃｔｌｙｂｕｒｉｅｄｈｏｔｗａｔｅｒｐｉｐｅｌｉｎｅ，Ｔｈｅｒｍａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｉｓａｎｅｓｓｅｎｔｉｌｐａａｒｔ．ｉｔｐｌａｙｓａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｔｈｅ
区域供热
２０１７．４期
直埋热水管道热位移的计算分析
中国新时代国际工程公司程亮
【摘
要】在直埋热水管道的设计计算中，热位移计算是必不可少的环节．其对于

供热直埋管道的最大允许温差和最大安装长度

供热直埋管道的最大允许温差和最大安装长度整体式保温结构的直埋敷设方式分为有补偿敷设和无补偿敷设。

即通过应力验算可以确定某种材质的管道在一定的温差范围内，长直管线不需要设置补偿器即采用无补偿直埋敷设。

当最高运行温度和循环最低终温温差超过最大允许温差后，直埋管道应采用有补偿敷设，并需要控制长直管段的最大允许安装长度。

因此在直埋管道工程中掌握应力验算方法以及最大允许温差和最大安装长度是一个非常重要的概念.图15-5 嵌固管道在热状态下单元体三向应力示意图直埋敷设管道如被嵌固时，管道的热伸长完全受阻，管壁的应力增大。

直埋敷设管道在受热状态下，管壁单元体上作用着由内压产生的环向拉应力σt、轴向压应力σa和径向应力σr（其值很小，一般忽略不计），如图15-5所示。

进行应力验算取决于所采用的应力分析方法和强度理论。

有两种不同的对直埋敷设管道进行应力验算的方法，即：1、按弹性分析法，按第四强度理论—变形能强度理论进行应力验算。

采用此分析方法，管道只容许在弹性状态下运行。

这是北欧国家曾经普遍采用的一种方法。

2、按弹塑性分析法进行应力验算，采用安定性分析原理，按第三强度理论—最大剪应力强度理论进行应力验算。

按此方法计算，管道容许有限量的塑性变形，管道可在弹塑性状态下运行。

这是北京市煤气热力工程设计院等单位的研究成果，并通过多年的实践和修正作为我国《直埋规程》规定的应力验算方法。

有一些北欧国家也开始使用这种应力验算和设计方法。

一、最大允许温差如前所述，应力分类法认为温度差引起的应力属于二次应力。

管道在升温热胀过程中，可以允许有限量的塑性变形。

认为材料进入屈服和产生微小变形时，变形协调即得到满足，变形不会继续发展。

安定性分析原理认为，结构某些部分的材料交替地发生拉、压屈服，只要压缩屈服（升温）和拉伸屈服（冷却）的总弹性应力变化范围在两倍屈服极限之内，则结构不会发生破坏、仍能安定在弹性状态下工作。

按照此原理，直埋管道应力验算的条件为：二、最大允许安装长度当不能满足式强度条件时，长直管道中不应有锚固段存在。

直埋热水供热管道热损失、沿程温降计算分析

Ａ３６・
张呼生，等：直埋热水供热管道热损失、沿程温降计算分析
第３４卷
第１期
—
—
保护层热阻，ｍ・Ｋ／ｗ
点位置进行局部开挖，将保温管的保护层、保温层进行切割露出工作钢管，将管壁打磨光亮后涂抹黄油，
同样忽略工作钢管热阻、工作钢管内表面热阻，
取１．５ｗ／（ｍ・Ｋ）
日 — —折算深度，ｍｄ —— 供回水管道中心距，ｍ
— —
管顶埋设深度，ｍ
化范围为１２～１５Ｗ／（ｎｑ・Ｋ），取
１３．５ｗ／（ｍ・Ｋ）
Ｏｔ —— 土壤表面传热系数，ｗ／（ｍ・Ｋ），变
人，副教授，硕士，从事暖通、给排水专业的教学和研究。
（尺＋。。）（Ｒ＋Ｒ。ｉ）一Ｒ
Ｒ＝Ｒ＝Ｒｉ＋尺ＰＥ
１直埋敷设供热管道热损失计算
对于直埋并列敷设的供回水管道，应考虑相互
式中ｑ ——供水管道单位长度的热损失，Ｗ／ｍｔｓ — —供水温度， ℃
第３４卷
第１期
煤气与热力
ＧＡＳ＆ＨＥＡＴ
Ｖｏ１．３４Ｎｏ．１
２０１４年１月
Ｊａｎ．２０１４
・
供热热网与热力站・
直埋热水供热管道热损失、沿程温降计算分析
张呼生，锡建新，郭华

供热管网各参数计算常用公式

供热管网各参数常用计算公式1比摩阻R （P/m ）——集中供热手册P 196R = 6.25×10-2×52d G ρλ 其中：λ—— 管道摩擦系数（查动力管道手册P345页）λ= 1/（1.14+2×log Kd ）2 G —— 介质质量流量（t/h ）或：R=d 22λρν=6.88×10-3×25.525.02d K G ρ ρ—— 流体介质密度（kg/m 3） d —— 管道内径（m ）K ——管内壁当量绝对粗糙度（m ） 2、管道压力降△P （MPa ）△P = 1.15R （L+∑Lg ）×10-6其中：L —— 管道长度（m ）∑Lg ——管道附件当量长度（m ）3、管道单位长度热损q （W/m ）q =其中：T 0 —— 介质温度（℃）λ1 —— 内层保温材料导热系数（W/m.℃）λ2 —— 外层保温材料导热系数（W/m.℃）D 0 —— 管道外径（m ）D 1 —— 内保温层外径（m ）D 2 —— 外保温层外径（m ）α—— 外表面散热系数[α=1.163×（10+6ϖ）]ϖ—— 环境平均风速。

预算时可取α=11.63Ln —— 自然对数底4、末端温度T ed （℃）T ed = T 0 - GC L L q g 310)(-⨯+ 其中：T 0 —— 始端温度（℃）L —— 管道长度（m ）Lg —— 管道附件当量长度（m ）G —— 介质质量流量（t/h ）2122011012121)16(D D D Ln D D Ln T αλλπ++-C —— 介质定容比热（kj / kg.℃）5、保温结构外表面温度T s （℃）T s = T a + απ2D q 其中：Ta ——环境温度（南方可取Ta =16℃） 6、管道冷凝水量(仅适用于饱和蒸汽)G C （t/h ）G C = γ3106.3-⨯qL 其中：γ——介质汽化潜热（kj / kg ）7、保温材料使用温度下的导热系数λt （W/m.℃）λt =λo +2)(B A T T K + 其中：λo ——保温材料常态导热系数 T A —— 保温层内侧温度（℃）T B —— 保温层外侧温度（℃） K —— 保温材料热变系数超细玻璃棉K=0.00017 硅酸铝纤维K=0.00028、管道直径选择d （mm ）按质量流量计算：d = 594.5ωρG按体积流量计算：d = 18.8ωνG按允许单位比摩阻计算：d = 0.0364×52R G ∆νλ其中：G —— 介质质量流量（t/h ）G v —— 介质体积流量（m 3/h ） ω —— 介质流速（m/s ）ρ —— 介质密度（kg/m 3）ΔR —— 允许单位比摩阻（Pa/m ）9、管道流速ω（m/s ）ω= πρ29.0d G 其中：G —— 介质质量流量（t/h ） ρ —— 介质密度（kg/m 3）d —— 管道内径（m ）10、安全阀公称通径（喉部直径）选择DN （mm ） A = φ133.49010P G 则 DN =πA ⨯20 其中：A —— 安全阀进气口计算面积（cm 2）G ——介质质量流量（t/h ）P —— 安全阀排放压力（MPa ）φ——过热蒸汽校正系数，取0.8—0.88 DN ——安全阀通径计算值（mm ）。

学习笔记-直埋供热管道设计要点

直埋供热管道设计要点一、横断面设计
1、对于有地下水的直埋管道，基础增加天然级配砂石；
2、对于湿陷性黄土地带，天然级配砂石改为三七灰土。

二、稳定性设计
三、管道受力分析及管道分类
（1）热膨胀力
（2）泊松力
3、管段分类
（1）过渡段（直管段）
过渡段是主要克服管段的约束反力-被动力作用，使热膨胀得以全部或部分释放的管段，通常有一个自由端，能自由伸缩，如补偿器、弯头等处。

设计的主要任务是，确定管道轴向方向的热伸长，从而合理的选择补偿器和引出分支。

（2）锚固段（直管段）
锚固段由于被动力的作用，管段进入自然锚固状态。

设计的主要任务是，核算管段的机械强度以及进行管段稳定性验算。

四、直管段安定性设计
1、应力分类法
2、计算公式及最大温差
五、直管段安定性设计
1、补偿弯管的分类
2、弹性臂长
3、L型补偿弯管设计
4、Z型补偿弯管设计
5、U型补偿弯管设计
六、管道附件设计
1、阀门
（5）蝶阀公称直径为DN50~DN1200，压力等级为 2.5MPa以下；球阀公称直径为DN15~DN300，压力等级为2.5MPa以下。

2、补偿器的选择计算
3、分支引出
七、固定支架设计。

直埋热力管道保温材料及热损失计算分析

直埋热力管道保温材料及热损失计算分析《江西能源》肖平华1999年第01期32页摘要本文介绍了目前国内外直埋保温管道预制保温管的技术性能；并通过计算分析得出采用此类保温材料要比采用地沟敷设的常规保温材料热损失减少40%左右，而且节约投资并缩短施工周期，建议有条件的供热工程应采用预制保温管直埋敷设。

关健词直埋技术预制保温管热损失热阻前言国内外直埋技术的发展，已经有60余年的历史，早在30年代，原苏联最初采用泥作保温材料，40年代又改用浇灌泡沫混凝土作直埋管道的保温材料。

实践证明，这些保温材料吸水率大，直埋管道腐蚀严重。

50年代初的美国、丹麦和加拿大等国的各大公司研制了预制保温管，即“管中管”技术，从而使管道直埋技术发展到了一个新水平。

国内在50年代曾采用过浇灌泡沫混凝土的管道直埋敷设方式，70年代开始研究沥青珍珠岩保温材料的直埋热力管，取得了很大成绩，80年代我国出现了两种新型预制保温管：一类是天津大学根据国外经研制的保温结构为“氰聚塑”型式的预制保温管；另一种是引进国外生产线的“管中管”型式的预制保温管。

目前这种型式的预制保温管已先后在天津、北京、郑州等地进行大批量生产并广泛用于城市热力管网。

2直埋预制保温管技术性能国内外部份厂家生产的预制保温技术性能(见表1)表1国内外部分厂家生产的预制保温管技术性能氰聚塑直埋保温管是用硬质聚氨脂泡沫塑料作保温材料，外部用玻璃钢作防护外壳，钢管外壁刷一层“氰凝”作防腐层。

通用型适用于120℃以下介质的热力管网。

高温型适用于250℃以下介质的热力管网，其保温材料为硅酸镁发泡聚氨脂复合保温材料，保护外壳为玻璃钢。

第二种类型是“管中管”预制保温管，其保温材料为聚氨脂硬质泡沫塑料，保护外壳为高密度聚乙烯外套管，适用于120℃以下部介质的热力管网。

3保温层厚度及热损失计算保温层厚度应根据热损失法或经济厚度计算后并经综合经济效益比较后确定。

直埋管道的设计结构如图1所示。

图1直埋保温管结构示意图1热力管2主保温层3保温层4土壤5地面直埋管道的保温计算其原理与一般保温管道相同，但一般热力管的表面散热由外界空气吸收，而直埋管道由周围土壤来吸收，一般管道属于无限空间放热，直埋管道放热与管道埋设深度有关。

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T＝
直埋供热管道转角管段弹性抗弯铰解析计算法
1. 直埋水平转角管段计算 1.1 水平转角管段的过渡段长度应按下列公式计算：
保温管道钢管外径(m) 保温管道钢管壁厚(m) 保温管道钢管内径(m) 保温层厚度(m) 保温外壳厚度(m) 预制保温管外壳外径(m) 弯头实际曲率半径(m) 弯头计算曲率半径(m) 弯头的外半径(m) 弯头公称壁厚(m) 弯头横截面的平均半径(m) 转角管段的折角(rad) 土壤横向压缩反力系数(N/m3) 直管横截面的惯性矩(m4) 弯头横截面的惯性矩(m4) 弯头的尺寸系数钢材的弹性模量(MPa) 与土壤特性和管道刚度有关的参数(1/m)
lt,max ＝ lt ＝
钢管管壁横截面积
A ＝ 0.00218419
Na=
394237.972
122.29738
26.666667 0.0009429 0.0014429
弯头结构形式
弯头参数
序号
1
2
3
4
结构形式
光滑单斜接缝稀缝
密缝
计算曲率半径 Rc
0000焊制弯头扇形节夹角之半
α＝
0.5
焊制弯头扇形节中心线长度(m)
Dw ＝ δb1 ＝ Dn ＝ δb2 ＝ δb3 ＝ Dc ＝
R＝
Rc ＝ rbo ＝ δb ＝ rbm ＝
φ＝
C＝
Ip ＝ Ib ＝
λ＝
E＝ κ＝
0.159 0.0045
0.15 0.03 0.002 0.223
1000000 9.6541E-05
190000 0.23479807
水平转角管段的过渡段最大长度（m）水平转角管段循环工作状态下的过渡段长度（m）