直埋热水管道钢管壁厚的计算及对比

于小会

摘 要：集中供热管网的钢管壁厚既是影响管网安全运行的技术问题，也是影响工程投资的经济问题。本文依据《城镇供热直埋热水管道技术规程 CJJ/T 81-2013》，计算出无补偿直埋冷安装、无补偿直埋预热安装和有补偿直埋安装方案的热水管道钢管壁厚值，确定不同工况壁厚的决定因素，为集中供热管网敷设方案的选择提供依据。

关键词：直埋热水管道；壁厚；计算；对比

中图分类号：TU995.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）03-0080-04

1 直埋热水管道壁厚影响因素

依据《城镇供热直埋热水管道技术规程CJJ/T 81-2013》，直埋热水管道钢管壁厚的影响因素包括：管道内压力、外部荷载、温度应力和局部屈曲，将不同影响因素的壁厚验算公式列于表1公式（1-5）。

2 大管径直埋热水管道钢管壁厚计算

2.1 直埋无补偿冷安装方案

2.1.1 计算参数

计算参数如表2所示。

2.1.2 计算结果分析

计算压力1.6MPa，供水温度为130℃工况下，各种因素的最小壁厚如图1所示。

从图1可以看出，在此工况下，局部屈曲是管道壁厚选取的决定性因素。

从图2还可看出，各因素的计算壁厚基本随管径增大呈线性增长趋势。各因素计算壁厚的差别，随管径的增大而增大。

计算压力2.5MPa，供水温度为130℃工况下，各因素最小壁厚如图3所示。由于压力升高，内压限定的最小壁厚略高于局部屈曲的计算值，成为该工况下选取管道壁厚的决定因素。

通过对比图1与图3可以看出，随着压力的升高，内压和内压加温度应力限定的最小壁厚大幅度提高，设计压力对供热管道钢管壁厚的选取有重要影响。局部屈曲所限定的最小壁厚随计算压力升高略有下降。

比如DN1200管道，虽然在1.6MPa和2.5MPa的设计压力下管道壁厚的选取值可能一致，管道都取14.0 +1.0=15.0mm（1.0为因尺寸公差而附加的壁厚），但主导壁厚选取的因素并不一样。低压力时，局部屈曲是钢管壁厚的决定因素，高压力时，管道内压成为管道壁厚的决定因素。

2.2 直埋无补偿预热安装

2.2.1 计算参数

与无补偿冷安装的壁厚计算相比，预热安装仅在安装温度的取值上有所不同，而计算管道壁厚的公式中，只有局部屈曲的公式涉及到了安装温度t0，因此，只有预热安装局部屈曲的壁厚计算与无补偿冷安装不同。安装温度的取值为：t0=（t1+t2）×40%=56℃。

计算参数如表3。

2.2.2 计算结果分析

对比不同因素的计算壁厚，外部荷载成为决定壁厚的主要因素，与采用冷安装时的结果大不相同。

比如DN1200管道，对比图1与图4可以看出，与冷安装的计算壁厚相比，采用预热安装后管道局部屈曲的计算壁厚降低一半左右，在1.6MPa计算压力下，可以使管道钢管壁厚有效减薄。

从图5可以看出，随管径增大各因素计算的最小壁厚差距加大，而对于较小管径管道，各因素计算的最小壁厚趋同。体现了在大管径管道钢管壁厚计算时，分别验算各个影响因素的意义所在。

2.3 直埋有补偿安装

2.3.1 计算参数

采用表4和常规波纹管补偿器参数，按表1公式（1-5）中各个过程量，经过试算得到不同管径管道在有补偿敷设时的最小壁厚。

2.3.2 计算结果分析

表5中管道壁厚计算采用弹性应力分析法，按一次应力与二次应力共同作用下的最小值。而按内压与外部荷载计算的壁厚与无补偿直埋冷安装的结果一致，直埋有补偿敷设轴向压力远小于无补偿敷设，可不考虑局部屈曲的影响。

从图6、图7可以看出，1.6MPa下，对于大管径直埋管道内压加温度应力为壁厚计算的决定因素，外部荷载仅此之，且管径越大二者越相近。管径越小，内压加温度一应力对壁厚的决定作用越明显。

从图8、图9可以看出，在2.5MPa计算压力下，对于DN800以上管道而言，内压是钢管壁厚的决定因素。随着管径变小，内压加温度应力的计算壁厚与内压计算的壁厚差距减小，当管径小于等于DN800时，已成为钢管壁厚的决定因素。

3 结语

3.1 管道壁厚的决定因素

在计算压力1.6MPa，最高循环温度130℃的条件下：对于无补偿冷安装的直埋供热管道，局部屈曲是钢管壁厚的决定因素；对于无补偿预热安装，外部荷载成为钢管壁厚决定因素；对于有补偿直埋安装，内压加温度应力是钢管壁厚的决定因素。

在计算压力2.5MPa，最高循环温度130℃条件下：由于内压引起的应力大幅上升，内压成为无补偿冷安装和预热安装钢管壁厚的决定因素；在有补偿敷设中，DN800以上管道钢管壁厚也由内压决定，而DN800及以下管道，內压加温度应力是钢管壁厚的决定因素。

3.2 不同安装方式对壁厚的减薄作用

对比1.6MPa、130℃工况，预热安装和有补偿直埋安装较无补偿冷安装方案都能降低钢管壁厚1至4mm，且预热安装对管壁的减薄作用更为突出，管材投资可大幅减少，但增加了电预热费用，有补偿直埋安装方案也能降低管材投资费用，但增加了补偿器投资费用，一般补偿器投资费用远大于电预热费用，应综合比较管材减少费用、电预热增加费用、补偿器投资增加费用以及实际地质结构，确定无补偿预热还是无补偿冷安装方案。

对比2.5MPa、130℃工况，较无补偿冷安装方案，无补偿预热安装和有补偿安装绝大多数情况下都不能降低钢管壁厚，甚至出现有补偿DN800以下管道的壁厚较无补偿壁厚增加的情况，因此，在这种工况下应优先选用无补偿冷安装方案。

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