供熱直埋熱水管道的曲管問(wèn)題研究

郭東升

（遼寧城建設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 撫順 113000）

0 引言

城市地下管線分布情況十分復(fù)雜，在鋪設(shè)供熱直埋熱水管道過(guò)程中，為躲避地下障礙物以及其他管線系統(tǒng)，需要及時(shí)調(diào)整供熱直埋管線方向，在此過(guò)程中需要使用大量曲管。與直管相比，曲管的荷載分布情況更為復(fù)雜，加工難度更高，不同角度的曲管，其受力情況存在很大差別。從理論方面來(lái)看，當(dāng)供熱直埋管道曲管的轉(zhuǎn)角范圍在80°～120°時(shí)，曲管具有良好的補(bǔ)償能力，加工技術(shù)也較為成熟。但是在很多情況下，受限于施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，曲管的轉(zhuǎn)角范圍小于80°或大于120°。針對(duì)轉(zhuǎn)角范圍不在80°～120°的曲管受力情況的研究尚存在不足，無(wú)法保障其質(zhì)量。因此，施工人員只能通過(guò)加裝補(bǔ)償器以及增加固定設(shè)備等方式，確保曲管能夠穩(wěn)定工作，不僅增加了工程量，也會(huì)整個(gè)供熱管網(wǎng)系統(tǒng)增加了很多新的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。為解決這一問(wèn)題，研究人員嘗試從力荷載、位移荷載以及力-位移荷載三方面入手，深入分析曲管荷載分布情況。同時(shí)基于供熱直埋管道的實(shí)際工作環(huán)境，分析供熱直埋管道的失效形式，并針對(duì)曲管可能出現(xiàn)的問(wèn)題制定具有針對(duì)性的解決措施。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，小折角與曲管的加工方式以及受力情況存在很大不同，小折角的應(yīng)力較為集中，零件的使用壽命較短且容易出現(xiàn)破損。但是與曲管相比，小折角的制備工作相對(duì)簡(jiǎn)單，使用方式也較為靈活，因此被廣泛應(yīng)用于管道敷設(shè)之中。根據(jù)《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程（CJJ/T81-2013）》中的相關(guān)規(guī)定，當(dāng)供熱管道循環(huán)溫差達(dá)到120℃之后，大口徑管道折角最大值不得超過(guò)0.1°，這就令折角的使用價(jià)值顯著下降。與折角相比，曲管的受力更為均勻，可以通過(guò)調(diào)整曲管半徑的方式提高其承受能力，研究供熱直埋熱水管道曲管問(wèn)題，能夠進(jìn)一步提高曲管適用性，為5°～40°曲管在供熱直埋管道系統(tǒng)中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。因此，該研究具有較強(qiáng)的理論意義與現(xiàn)實(shí)意義。

1 管道荷載和失效形式

1.1 管道所受荷載

在供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中，熱水管道產(chǎn)生內(nèi)力或是使管道變形的作用力稱為管道所受荷載[1]。管道受到的荷載種類較多，當(dāng)管道因荷載發(fā)生變形時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致力學(xué)作用產(chǎn)生，對(duì)管道造成一定的破壞效果。管道變形與荷載之間的關(guān)系是對(duì)管道所受荷載進(jìn)行劃分的依據(jù)，荷載形式主要包括：

1.1.1 力荷載

管道所受的力荷載，通過(guò)作用力的形式施加在管道上，力荷載有內(nèi)壓力、垂直凈土壓力和機(jī)動(dòng)車(chē)動(dòng)土壓力三種。

當(dāng)管道承受內(nèi)壓力時(shí)，會(huì)出現(xiàn)變粗變短的趨勢(shì)，內(nèi)壓力作用在管壁上產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力：

式（1）中：Pd表示內(nèi)壓力，Di表示供熱水管內(nèi)徑，δ表示供熱水管管壁厚度。

垂直靜土壓力計(jì)算公式一般有兩種，主要是根據(jù)管道中心線與當(dāng)?shù)氐叵滤簧疃戎g的高低關(guān)系來(lái)分。

在管道中心線高于地下水位時(shí)，土壤應(yīng)力計(jì)算如下：

式（2）中：σv是土壤施加給管道的應(yīng)力，ρ表示回填土密度，g是重力加速度，H為供熱水管的回填土深度。

當(dāng)管道中心線低于地下水位時(shí)，土壤應(yīng)力計(jì)算如下：

式（3）中ρsw為回填土有效密度，Hw為地下水位線深度。

依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，在計(jì)算機(jī)動(dòng)車(chē)動(dòng)土壓力時(shí)：一般取α=30°，因此機(jī)動(dòng)車(chē)作用在管道上的動(dòng)土壓力為：

式（4）中的h 表示直埋敷設(shè)管道覆土深度?，F(xiàn)對(duì)直埋敷設(shè)管道規(guī)定了不同的最小覆土深度，如表1 所示。

表1 管道回填土最小深度

1.1.2 位移荷載

使管道發(fā)生變形或產(chǎn)生位移的效果的作用力稱為位移荷載。位移荷載的產(chǎn)生原因主要有固定墩的固定作用和初應(yīng)變荷載兩種。

固定墩的作用是固定管道以控制管道變形的，同時(shí)會(huì)受到來(lái)自管道兩側(cè)比較大的推力。固定墩與管道之間的互相作用力分別是管道因溫度變化產(chǎn)生的熱伸長(zhǎng)量，由于受到覆土壓實(shí)而受限制，進(jìn)而受到固定墩的作用力；被固定的管道兩側(cè)，因計(jì)算截面積不同產(chǎn)生內(nèi)壓力不平衡的作用力；管道活動(dòng)部分因發(fā)生位移受到的作用力，例如套筒補(bǔ)償器與管道之間產(chǎn)生的摩擦力、曲管的彈力、土壤與管道之間的摩擦力等。

初應(yīng)變荷載即管道內(nèi)水溫變化與內(nèi)壓力作用下的泊松拉應(yīng)力產(chǎn)生初應(yīng)變導(dǎo)致的荷載。忽略管道塑性變形，在彈性狀態(tài)下的初應(yīng)變荷載為：

式（5）中，σ代表初應(yīng)變荷載，T1與T0表示供熱循環(huán)水溫度極值，E 代表地面振動(dòng)荷載，該公式由兩部分組成，前后兩部分分別是由溫差導(dǎo)致的初應(yīng)變荷載和內(nèi)壓泊松效應(yīng)導(dǎo)致的初應(yīng)變荷載。

1.1.3 力-位移荷載

受周?chē)寥赖淖饔?，供熱直埋熱水管道所受的?位移荷載與架空敷設(shè)和地溝鋪設(shè)有較大不同，主要有補(bǔ)償器的彈性力、土壤的側(cè)向壓縮反力和土壤與管道之間的摩擦力三種。

補(bǔ)償器的彈性力：在直埋供熱管網(wǎng)中經(jīng)常會(huì)使用到補(bǔ)償器，套筒補(bǔ)償器產(chǎn)生的摩擦力并不是力-位移荷載；波紋管補(bǔ)償器由于其波紋所具有的剛度，在管道受熱膨脹時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性力。

土壤的側(cè)向壓縮反力：由于管內(nèi)溫度變化頻率高，曲管彎頭的兩側(cè)都會(huì)發(fā)生軸向位移，在一側(cè)軸向位移的作用下，又會(huì)引起另一側(cè)的水平位移，使得彎頭與土壤之間形成側(cè)向擠壓，此時(shí)會(huì)有土壤的側(cè)向壓縮反力產(chǎn)生，這也是力-位移荷載的一種。

土壤與管道之間的摩擦力：管道與土壤之間由于滑動(dòng)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生摩擦作用力，土壤對(duì)管道產(chǎn)生的摩擦力會(huì)因距離長(zhǎng)短而不同，相對(duì)管道有位移產(chǎn)生甚至有位移趨勢(shì)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力。

1.2 直埋熱水管道失效形式

依據(jù)現(xiàn)有對(duì)管道應(yīng)力的分析方法可知熱水管道所受荷載分別是一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力[2]。分析不同應(yīng)力時(shí)需采用相應(yīng)的強(qiáng)度理論進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)管道失效方式進(jìn)行分類。對(duì)常見(jiàn)的管道失效方式進(jìn)行總結(jié)后，可將管道失效形式分為無(wú)限制塑性變形、循環(huán)塑性變形和疲勞破壞三種。

無(wú)限制塑性變形：管道內(nèi)充注著有壓高溫液體，在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)熱水會(huì)對(duì)管壁產(chǎn)生應(yīng)力作用，如果應(yīng)力超過(guò)規(guī)定值范圍，就會(huì)導(dǎo)致管道發(fā)生無(wú)限制塑性變形，在情況比較嚴(yán)重的時(shí)候，熱水管道會(huì)因此炸裂開(kāi)來(lái)。

循環(huán)塑性變形：管道內(nèi)水溫在高溫低溫之間循環(huán)，巨大的溫差導(dǎo)致管道經(jīng)常性熱脹冷縮，使得管道產(chǎn)生交替拉伸、壓縮屈服，此情況同時(shí)產(chǎn)生一次應(yīng)力與二次應(yīng)力，當(dāng)前述兩種應(yīng)力同時(shí)作用時(shí)，就會(huì)使得管道產(chǎn)生循環(huán)塑性變形。管道溫度會(huì)隨著管道內(nèi)部水溫的變化而變化，由于水溫在高溫與低溫之間循環(huán)，所以供熱管道的形變值就會(huì)出現(xiàn)最大值與最小值。

疲勞破壞：疲勞破壞分為低循環(huán)疲勞破壞和高循環(huán)疲勞破壞兩種。管壁溫度變化是導(dǎo)致熱水管道破壞的主要原因，在供熱過(guò)程中，對(duì)管道內(nèi)的水溫有要求，不能忽冷忽熱，管內(nèi)溫度很少會(huì)變，由于不經(jīng)常發(fā)生的溫差變化引起的破壞稱為低循環(huán)疲勞破壞。當(dāng)機(jī)動(dòng)車(chē)等通過(guò)管道上方時(shí)，其荷載會(huì)導(dǎo)致土壤下方管道產(chǎn)生應(yīng)力集中，加之機(jī)動(dòng)車(chē)出現(xiàn)概率較大，數(shù)量較多，所以稱之為高循環(huán)疲勞破壞。其與管道的填埋深度有關(guān)，可適當(dāng)采取增加埋深度等措施減小高循環(huán)疲勞破壞對(duì)管道的影響[3]。

2 直埋熱水管道曲管特點(diǎn)及制備方式

2.1 曲管的特點(diǎn)

在供熱直埋熱水管道兩端分別增加彎曲力矩時(shí)，會(huì)使管道產(chǎn)生彎曲，此時(shí)管道的曲率半徑會(huì)依據(jù)施加力矩的大小變化為與之對(duì)應(yīng)大小。直埋熱水管道一般為鋼管，鋼管發(fā)生彎曲的地方稱為變形區(qū)，未發(fā)生變形的區(qū)域稱為未變形區(qū)。當(dāng)管道發(fā)生彎曲情況時(shí)，管道內(nèi)部的金屬晶格會(huì)發(fā)生變形，在管道截面處，內(nèi)部金屬晶格變形方式并不一致，其中內(nèi)側(cè)晶格會(huì)在彎矩的壓力下產(chǎn)生的壓縮變形；管道彎曲外側(cè)晶格是受相反的彎矩產(chǎn)生的拉力從而變形的。

在供熱直埋熱水管道產(chǎn)生彎曲的初始階段，管材還處于彈性時(shí)期，應(yīng)力和應(yīng)變之間是正比例關(guān)系，也符合胡克定律，在彎曲剛開(kāi)始時(shí)應(yīng)力、應(yīng)變中性面均通過(guò)橫截面的重心，并與之重疊。當(dāng)管道彎曲程度越來(lái)越大時(shí)，管道內(nèi)外壁會(huì)隨之產(chǎn)生屈服，并且向管道中間發(fā)散，管材逐步進(jìn)入屈服階段，在管材發(fā)生屈服的過(guò)程中，應(yīng)力、應(yīng)變中性面都會(huì)相對(duì)橫截面重心有所偏移，偏移方向隨曲率半徑的增大向彎曲中心進(jìn)行，在偏移過(guò)程中，應(yīng)變中性面的偏移量會(huì)小于應(yīng)力中性面的偏移量[4]。

供熱直埋熱水管道的變形主要是由曲管內(nèi)側(cè)的壓縮與外側(cè)的拉伸引起的，在整個(gè)的應(yīng)變中切向應(yīng)變是最大的。當(dāng)材料處于沒(méi)有變形的狀態(tài)時(shí)，只有在材料產(chǎn)生線應(yīng)變量時(shí)，會(huì)使得原材料的長(zhǎng)度與或者體積產(chǎn)生變化；同時(shí)，因?yàn)榍袘?yīng)力導(dǎo)致的相關(guān)變化往往會(huì)使得應(yīng)變的數(shù)值相反，所以，通常情況下也會(huì)忽略此變化。在供熱直埋熱水管道彎曲過(guò)程中，在管道變形區(qū)的最內(nèi)側(cè)和最外側(cè)產(chǎn)生的切應(yīng)力的數(shù)值往往是最大的，變形區(qū)內(nèi)管壁內(nèi)外側(cè)的厚度變化幅度也是最大的。隨著管道彎曲程度越來(lái)越大，管壁的厚度變化也會(huì)越來(lái)越明顯，變化幅度也會(huì)較之前有所增加。此時(shí)，曲管內(nèi)外側(cè)會(huì)出現(xiàn)不同的情況：曲管外側(cè)由于壁厚減小出現(xiàn)裂紋，在曲管內(nèi)側(cè)會(huì)因?yàn)楣鼙诤穸仍黾邮共牧现g產(chǎn)生擠壓最終出現(xiàn)屈曲。當(dāng)彎曲管道口徑比較大時(shí)，原本彎曲后呈現(xiàn)的圓形截面會(huì)出現(xiàn)橢圓化的變形[5]。供熱直埋熱水管道彎曲的過(guò)程中非常容易產(chǎn)生不良后果，最為常見(jiàn)的有：（1）曲管外側(cè)管壁厚度過(guò)分降低，越來(lái)越薄，最終導(dǎo)致管道出現(xiàn)裂紋；曲管內(nèi)側(cè)管壁厚度由于管材的不斷堆積以致過(guò)度，最終容易產(chǎn)生褶皺；（2）曲管原本的圓形橫截面會(huì)在彎曲過(guò)程中產(chǎn)生橢圓化的變形。

2.2 曲管的加工制備方式

在具體加工工藝中，曲管的加工制備方式是比較多的，分類標(biāo)準(zhǔn)也不一樣，比如根據(jù)彎管形式不同可以分為壓彎、拉彎、繞彎等多種方式；在加工制備曲管時(shí)如果有加熱，就稱為熱彎彎管，沒(méi)有加熱的稱為冷彎彎管；還有依據(jù)加工制備時(shí)如果有填充應(yīng)用的物料的就稱為有芯彎管，沒(méi)有任何物料填充的就稱無(wú)芯彎管。在制備曲管時(shí)在考慮管道截面外形特征、曲管制備工藝影響因素之外，還應(yīng)當(dāng)要注意：（1）在實(shí)際的工程中，曲管的制備工藝需要根據(jù)材料種類、應(yīng)用精度需求、不同外形尺寸數(shù)據(jù)等，綜合考量選用符合要求的制備工藝；（2）根據(jù)曲管的綜合屬性，選取可降低管道截面變形、管壁厚度變化的制備工藝，以提升管道的質(zhì)量；（3）在制造設(shè)備的選擇方面應(yīng)當(dāng)選用操作簡(jiǎn)單、廣泛通用的彎管模具與機(jī)械設(shè)備；在保證生產(chǎn)效率的同時(shí)，盡量選擇經(jīng)濟(jì)效益好的制備工藝。

3 曲管加工中存在問(wèn)題與應(yīng)對(duì)措施

加工曲管過(guò)程中，受到加工技術(shù)的限制以及粗放式加工模式的制約，曲管加工質(zhì)量會(huì)受到一定的影響。比如加工管材彎曲后可能會(huì)出現(xiàn)管壁厚度的增加或減少，使得管壁厚度整體不均勻，管道截面進(jìn)一步出現(xiàn)橢圓化形變的情況。一般情況下，隨著管道彎曲程度越來(lái)越大，管道曲率半徑也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化，可能會(huì)使管道的形變程度加劇，不利于實(shí)際應(yīng)用[6]。

3.1 管道加工缺陷

3.1.1 管道壁厚不均

管道壁厚不均勻的情況主要是由管道彎曲過(guò)程中外側(cè)拉應(yīng)力、內(nèi)側(cè)切應(yīng)力作用引起的。曲管部位外側(cè)拉應(yīng)力使管壁厚度減少，內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力使得管壁厚度增加，其內(nèi)弧、外弧處管壁厚度變化最大，終使得管壁厚度不均勻。如果管道壁厚度不均，管道內(nèi)的有壓流體會(huì)對(duì)管壁產(chǎn)生不同程度的壓力，部分管壁對(duì)內(nèi)部有壓流體的壓力承受能力大幅降低，對(duì)供熱直埋熱水管道的工作情況造成很大影響。

加工過(guò)程中，往往引入壁厚減薄率來(lái)檢測(cè)管材加工質(zhì)量：

在式（6）中，t為設(shè)計(jì)管道壁厚，tmin為管道發(fā)生彎曲后管壁的最小值。

管道的應(yīng)用場(chǎng)景不同時(shí)，對(duì)管道壁厚減薄率的要求也不盡相同。均勻彎曲管壁厚度最大減薄量以△t 計(jì)：

式（7）中t為管道設(shè)計(jì)壁厚，D為管道外側(cè)直徑。

管壁厚度降低變薄，既受到彎曲半徑和相對(duì)厚度影響，也受到所選曲管方式影響。

3.1.2 管道截面橢圓化

在管道發(fā)生彎曲時(shí)，因?yàn)楣艿罊M截面上管壁的變形程度不同，會(huì)導(dǎo)致管壁截面的形狀發(fā)生變化，由圓形變?yōu)闄E圓形。管道的端面形變程度越大，截面的橢圓形變程度就會(huì)隨之增大，所以管壁截面的橢圓形變程度側(cè)面反映了曲管的加工質(zhì)量。供熱直埋熱水管道出現(xiàn)彎曲后，供熱管網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)因?yàn)楣艿澜孛鏅E圓化出現(xiàn)很多潛在的隱患，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成威脅。比如，管道截面橢圓化會(huì)導(dǎo)致管道截面面積變小，管道內(nèi)的流體循環(huán)壓降會(huì)增大，還有管道截面橢圓化會(huì)使得曲管難以在供熱管網(wǎng)中發(fā)揮相應(yīng)的作用。在研究管道截面變形程度時(shí)，為方便研究分析，引入橢圓度概念：

式（8）中u為橢圓度，Dmax與Dmin分別表示管道彎曲以后截面某一方向測(cè)量到的最大外徑與最小外徑。根據(jù)公式可以看出，曲管截面變形程度越大，橢圓度數(shù)值也會(huì)越大。因此。想要保證曲管的加工質(zhì)量，橢圓度是很合適的參考。

3.2 曲管加工缺陷的應(yīng)對(duì)措施

3.2.1 提升管道壁厚均勻度

將管道彎曲時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力集中進(jìn)行分散，減少受力集中。在管道彎曲過(guò)程中，將彎曲管材的內(nèi)側(cè)部分加熱，擴(kuò)大管道彎曲時(shí)內(nèi)側(cè)受壓部分的變形區(qū)，減小受熱管材的變形抗力，從而減小外側(cè)受拉部分的應(yīng)力，進(jìn)一步降低管道壁厚不均。

調(diào)整管道彎曲時(shí)變形區(qū)內(nèi)部應(yīng)力分布，即增加管道彎曲內(nèi)側(cè)的壓應(yīng)力，減小外側(cè)的拉應(yīng)力。比如使用繞彎彎管制備工藝時(shí)，采取定壓彎管的措施，就會(huì)大幅減小管道壁厚不均情況的出現(xiàn)。在管道彎曲時(shí)，對(duì)管材施加軸向壓力，將曲管中原有應(yīng)力分布進(jìn)行改變，比如，向外部偏移原有的應(yīng)力中性面，可以使壓縮變形的范圍得到擴(kuò)大，同時(shí)使拉伸變形的范圍有所縮減，從而減少管道壁厚不均的情況。再比如，應(yīng)用推彎加工工藝制備曲管時(shí)，通過(guò)對(duì)管道施加軸向力，改變變形區(qū)內(nèi)應(yīng)力分布的狀態(tài)，進(jìn)一步增加壓應(yīng)力的組成成分，提高壁厚均勻程度。

3.2.2 降低管道截面橢圓度

在加工制備曲管時(shí)，可以采用增加適量芯棒以支撐斷面的方法，降低管道截面的橢圓形變程度。在加入芯棒時(shí)，要充分了解加工工藝，以便選取正確的芯棒，比如在采用壓彎或者繞彎等制備工藝時(shí)，通常會(huì)在曲管內(nèi)插入截面亦為曲面的剛性芯棒。將其放在需要彎曲變形的部位以支撐管道，當(dāng)管道彎曲結(jié)束后，將芯棒從管道內(nèi)逐漸移出即可，這樣會(huì)對(duì)管道端面橢圓度的減小起到了較好的效果。

為避免管道截面橢圓化變形，也可以采用向管道內(nèi)填充一定的物質(zhì)材料的方法。通常情況下向管道內(nèi)進(jìn)行填充的材料有固體顆粒（細(xì)砂、橡膠顆粒等）、液態(tài)流體（水等）、合金材料（熔點(diǎn)要低）等。這幾種填充物比較容易在管道彎曲后倒出，對(duì)彎管的使用不會(huì)造成太大影響。并且，此方法由于操作簡(jiǎn)單，填充物易得，而被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。

應(yīng)用模具控制管道截面變形。在曲管加工制備時(shí)，采用與管道匹配的模具，從管道的外部進(jìn)行固定作用以控制截面變形，進(jìn)一步降低曲管截面橢圓化的形變。

4 結(jié)論

為滿足供熱直埋熱水管道工程施工要求，相關(guān)研究人員深入研究大直徑供熱直埋管曲管加工方法以及應(yīng)力分布，并利用ANSYS 軟件對(duì)不同直臂長(zhǎng)度、不同曲率半徑、不同轉(zhuǎn)角曲管進(jìn)行有限元分析，并得出了許多重要結(jié)論：（1）通過(guò)對(duì)大直徑直埋熱水供熱管道的溫度載荷、內(nèi)壓載荷和適當(dāng)邊界條件的模擬分析，得出應(yīng)力主要集中在內(nèi)弧內(nèi)表面和中性面外表面。（2）闡述了目前各種曲管加工工藝。針對(duì)各種加工方法的缺陷，提出了減小橢圓度和不等臂厚的方法，并指出了適合工廠預(yù)制的加工方法和施工現(xiàn)場(chǎng)彎管的方法。（3）當(dāng)平均臂長(zhǎng)相同時(shí)，肘部的應(yīng)力大致相同。這一結(jié)論簡(jiǎn)化了曲管類型，使等臂長(zhǎng)度的研究結(jié)果適用于直臂組合的各種工況。