大口徑直埋供熱預(yù)制管道應(yīng)力的現(xiàn)場測試方法

孫春輝 官燕玲 孟慶龍 江超 王軍

1長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2西安市熱力公司

0 引言

近30年來，城鎮(zhèn)直埋供熱由于對環(huán)境影響小、工程造價低、節(jié)能效果好、施工方便、使用壽命長，在我國得到迅速發(fā)展。這些年來，伴隨著城市基礎(chǔ)建設(shè)的不斷完善，供熱管道直埋敷設(shè)技術(shù)也在不斷地成熟。1998年，建設(shè)部頒布了CJJ/T81-98《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》），其中的管道設(shè)計采用了材料的彈塑性理論，在直埋供熱的設(shè)計、安裝、施工中發(fā)揮了重要的作用。《規(guī)程》中明確提出其適用范圍為公稱直徑小于或等于DN500mm的管道[1]。目前，由于城市集中供熱發(fā)展的需要，很多工程為大口徑直埋管道，現(xiàn)有《規(guī)程》已不能滿足目前的設(shè)計需要。2005年建設(shè)部218號公告中明確了直埋供熱管道工程的設(shè)計原則是使預(yù)制保溫管系統(tǒng)中的管道、管件在設(shè)計條件下均能滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)強度條件和穩(wěn)定性要求，從而確保供熱管道系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。管道應(yīng)力是強度條件和穩(wěn)定性要求的重要指標(biāo)。

上世紀(jì)六十年代，北歐的丹麥、芬蘭等國家利用砂箱實驗的方法，測得高密度聚乙烯外殼聚氨酯發(fā)泡保溫的預(yù)制直埋管道與回填砂子之間的摩擦力，再通過理論分析得出管道的應(yīng)力狀況[2]。上世紀(jì)七十年代末，北京市煤氣熱力設(shè)計所做了熱力管道直埋敷設(shè)的地坑實驗。該實驗分為冷試及熱試兩部分，管道采用整體模壓瀝青珍珠巖保溫，是一種模擬實驗，且管徑上限為DN500mm[3]。該試驗為直埋敷設(shè)的推廣起到了先導(dǎo)作用。2005年，太原理工大學(xué)和太原市熱力公司合作，共同完成了大口徑預(yù)制直埋供熱管摩擦系數(shù)的實驗研究[4]。這項實驗對大口徑直埋保溫管進行了現(xiàn)場測試，主要方法是通過測量實際運行的大口徑管道的管長隨溫度的變化，來推導(dǎo)管道摩擦力的大小，進而分析管道的應(yīng)力狀況。

鑒于目前我國城市供熱直埋敷設(shè)中大口徑管道的大量應(yīng)用，而相關(guān)的理論依據(jù)較少，本文提出一種對大口徑直埋供熱管道應(yīng)力的現(xiàn)場直接測試方法。本測試旨在為大口徑供熱直埋管道的應(yīng)力狀況的深入研究提供基本數(shù)據(jù)。

1 應(yīng)變測試原理

本文所提出的供熱管道應(yīng)力現(xiàn)場測試方法的基本原理，是結(jié)構(gòu)工程中用來測量構(gòu)件物載荷的方法，主要是通過電阻應(yīng)變計來實現(xiàn)的。

如圖1，將四個規(guī)格相同的電阻應(yīng)變片組成惠斯通電橋，在一定的輸入電壓U下，電橋可把橋臂上微小電流的變化通過輸出電壓u的變化表現(xiàn)出來。

圖1 應(yīng)變片組成的惠斯通電橋

當(dāng)構(gòu)件受載荷作用時，會產(chǎn)生微小的形變，緊貼在構(gòu)件上的電阻應(yīng)變片，會跟隨構(gòu)件發(fā)生同等形變，使得應(yīng)變片電阻產(chǎn)生微小的變化，從而引起該應(yīng)變片所在橋路的電流變化，該電流變化與該構(gòu)件的微小形變之間的量化關(guān)系是特定的，所以通過對輸出電壓（電流的表征量）的檢測可以得出構(gòu)件的應(yīng)變。

如圖 1 所示，四個應(yīng)變片分別記為 R1、R2、R3、R4。根據(jù)惠斯通電路原理，輸入電壓為U時，輸出電壓u為：

引入應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)為 K（K=ΔRi/(Riεi)是應(yīng)變片的物性參數(shù)），則式（1）可以改寫為：

材料的電阻值除了和其幾何特性有關(guān)外，還受到溫度的影響。本次測試的管道設(shè)計溫度上限為130℃，對電阻應(yīng)變片阻值的影響很大，本次應(yīng)變測試須考慮溫度的影響。應(yīng)變片電阻絲材料的電阻溫度系數(shù)記為αR，10-6/℃，則在溫差△T下，溫度產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)椋?/p>

在實際的工程測量中，一般根據(jù)不同的測試需求與實際條件，選擇合適的電橋形式。本次測試主要選擇單臂電橋（根據(jù)電橋的變量支路數(shù)目不同，將電橋分為單臂橋、半橋和全壁橋）的方式。在本測試中，選取規(guī)格相同的四個電阻應(yīng)變片，將一片粘貼在測試鋼管上，稱為測試片；其余三個應(yīng)變片貼在跟管道同材質(zhì)的鋼板（處于與鋼管同環(huán)境的自然條件下）上，稱為基準(zhǔn)片。將這四個應(yīng)變片用屏蔽線組成惠斯通電橋，應(yīng)變片的連接如圖2、圖3所示。

圖2 貼在鋼管上的測試片

圖3 貼在鋼板上的基準(zhǔn)片

測試時，貼在同一個鋼板上的三個應(yīng)變片由于所有的條件相同，具有相同的應(yīng)變。記粘貼應(yīng)變片時的環(huán)境溫度為T0（℃）；鋼管的溫度為T1（℃）；鋼板的溫度為T2（℃）。測試片的機械應(yīng)變記為εjxc，基準(zhǔn)片的機械應(yīng)變記為 εjxj，表示一定尺寸的鋼板在溫差 ΔT2（ΔT2=T2-T0）下自由熱伸長時對應(yīng)的膨脹應(yīng)變（εjxj=αΔT2，α 為鋼材的線膨脹系數(shù)，m/(m·℃)）。應(yīng)變計所測的應(yīng)變等于應(yīng)變片的機械應(yīng)變加溫度附加應(yīng)變，結(jié)合式（2）、式（3）可得：

則εjxc表示了鋼管在機械力及溫度共同作用下的實際幾何應(yīng)變。

2 管道的軸向力分析

直埋供熱管道內(nèi)充注的有壓流體作用在管壁上形成管道內(nèi)壓。內(nèi)壓力作用在變徑、彎頭、三通等非軸向壁面，產(chǎn)生軸向拉力；內(nèi)壓力作用在外壁上，使管道沿徑向擴張，形成軸向泊松拉應(yīng)力。管道由于受到熱媒的加熱（或冷卻）作用產(chǎn)生熱伸長（或收縮）的趨勢，由于土壤的束縛作用，使熱伸長（或收縮）不能充分釋放（或恢復(fù)），從而產(chǎn)生了熱應(yīng)力。補償器的位移阻力、彎頭處的軸向力等形成了管道的活動端阻力。

本次測試的管道布置如圖4所示。

圖4 被測管段布置示意圖

從圖4中可以看到，被測試管段所受軸向力有：補償器的活動端阻力Ff，N；管道軸向每米的摩擦力F，N/m。管道在升溫作用下，一定長度的鋼管會產(chǎn)生一定的熱脹趨勢，受到土壤的束縛及活動端的阻力，熱膨脹將被壓縮，形成鋼管的壓縮應(yīng)變（記為εys），對應(yīng)的應(yīng)力即為管道的熱應(yīng)力，鋼管的剩余膨脹量將被應(yīng)變片測得，即εjxc，用公式表示為：

式中：Δl為管道在安裝與運行溫差ΔT1下，不受約束時的自由伸長量，Δl=αΔT1，m；l為管道軸向橫截面到活動端的距離，m。

對于本測試管段，壓縮應(yīng)變

式中：E為材料的彈性模量，MPa；A為管道橫截面面積，m2；ν為材料的泊松系數(shù)；σt為管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力，MPa。

式中：Pd為管道的計算壓力，MPa；D 為鋼管內(nèi)徑，m；δ為鋼管公稱壁厚，m。

3 實驗測試平臺的布置

本次測試選取西安市某處直埋供熱長直管線的部分管段（圖4）。管路設(shè)計條件如下：設(shè)計供回水溫度130℃/70℃，設(shè)計壓力 1.0MPa，α=12.6×10-6m/(m·℃)，E=19.6×10-4MPa，管道規(guī)格 Ф850（Ф720×8），覆土深度1.1m，測試段管道處于綠花草坪下。補償器型號XYJ16ZT700X4-J，直徑 700mm，設(shè)計壓力 1.6MPa，軸向補償量120mm。

如圖4，測試點a（此處應(yīng)變記為εa）為補償器處，沿軸向依次選取距a點56m的點b（此處應(yīng)變記為εb）、160m 的點 c（此處應(yīng)變記為 εc）處作為中間測點。每個測點分別測試供水管道和回水管道，在每支管道的同一橫截面布置10個應(yīng)變測試片（其中，8個軸向應(yīng)變片，1個環(huán)向應(yīng)變，1個與軸向45°夾角方位應(yīng)變）。管道溫度及鋼板溫度采集使用Pt100溫度傳感器。以測點a的供水管道為例，應(yīng)變片的位置布置如圖5、圖6所示。

圖5 管道橫截面貼片示意圖

圖6 管道貼片現(xiàn)場照片

測試數(shù)據(jù)的采集采用無線傳輸?shù)姆绞?。?yīng)變片的電壓信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊變成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過無線發(fā)射模塊變成射頻信號并發(fā)射，射頻信號經(jīng)無線接收模塊接收并轉(zhuǎn)回數(shù)字信號，通過數(shù)據(jù)線路與計算機連接，計算機在設(shè)計程序的指令下自動保存數(shù)據(jù)。該過程的流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集原理流程圖

4 測試數(shù)據(jù)的分析和處理

管道產(chǎn)生軸向應(yīng)力的主要因素是土壤與管道之間的摩擦力，故本次測試結(jié)果擬采用土壤摩擦系數(shù)的形式給出。

以測點a、b之間的供水管段為分析對象，測點a的應(yīng)變?nèi)」艿郎?個軸向應(yīng)變的平均值，記為ε0；同樣，測點b的應(yīng)變記為ε1。管道的摩擦力從a點開始，沿軸向與測點間距離成正比例關(guān)系，管道應(yīng)變也相應(yīng)的成正比例關(guān)系。結(jié)合式（5）～（6）可得，

不考慮自重的情況下，單位長度直埋敷設(shè)保溫管的外殼與土壤之間的摩擦力按下式計算[1]：

由于大口徑管道本身自重大，當(dāng)管道產(chǎn)生軸向位移時，自重產(chǎn)生的管道與土壤之間的摩擦力不可忽略。對于DN1400mm，埋深1.0m的管道，自重引起的單位長度摩擦力約占總單位長度摩擦力的12%[5]?？紤]管道自重G（包括管道鋼管、保溫及管內(nèi)介質(zhì)重量）時，管道與土壤間的摩擦力計算公式應(yīng)為：

結(jié)合式（8），管道與土壤間摩擦系數(shù)計算公式為：

本測試中，將得到一定溫度下的摩擦系數(shù)，通過軟件對這些數(shù)據(jù)的整合分析，得出實際運行管道與土壤間的相互作用在溫度與外界條件下的變化規(guī)律。

圖8 現(xiàn)場調(diào)試照片

圖9 補償器井供水管一次數(shù)據(jù)采集完成后應(yīng)變界面

5 測試的進程及展望

從2011年11月開始，經(jīng)過課題組的長期努力，本測試從2012年12月中旬開始進行現(xiàn)場測試（每天數(shù)據(jù)采集6次，每次30分鐘），測試現(xiàn)在處于穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集階段（圖8～9）。首期測試將在2013年3月中旬結(jié)束。對于測試的數(shù)據(jù)，將按照本方案進行分析處理。

[1] 城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程(CJJ/T81-98)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998

[2] 賀平.預(yù)制保溫管直埋敷設(shè)的設(shè)計原理[J].區(qū)域供熱,1987,(1):2-5

[3] 北京煤氣熱力工程設(shè)計所.熱力管道直埋敷設(shè)試驗研究[Z].北京:北京煤氣熱力工程設(shè)計所,1980

[4] 王飛,張建偉.大口徑預(yù)制直埋供熱管摩擦系數(shù)變化規(guī)律的研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2007,26(1):81-84

[5] 李春慶.DN1400mm熱水直埋管道的幾點設(shè)計體會[J].工程建設(shè)與設(shè)計,2012,(2):95-97