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。此时，管道允许布置的过渡段最大长度应加以控制。



　　从上式左侧可以看出，式右侧是轴向应力变化范围。当不满足强度条件时，长直管道不应进入锚固段，应在一定的长度上安装补偿器，使补偿器至固定点管段的最大应力满足强度条件的要求。这种条件下，直埋供热管道的轴向力应该采用被动外力计算，即管道和回填土的摩擦力以及补偿器的位移阻力。注意到被动外力产生的轴向应力等于应力变化范围的一半，管道补偿器位移阻力忽略不计，所以可以改写为：

　　整理得：



　　由实验结果，摩擦力是随管道温度循环变化的。实际升温过程产生的管长平均摩擦力小于管道的最大摩擦力。《直埋规程》规定，当摩擦力平均下降到单长最大摩擦力的80%时，管道即进入安定状态。所以，将分母2调整为1.6，适当放大设计布置的过渡段长度以节约投资。故改写为：