引言我国城市供暖管网的保温一般采用充填或浇注两种方法，充填使用的建筑材料一般为机械采集的泥煤，浇注使用的建筑材料一般为发泡材质的水[1]。由于水泥煤的导热系数相对很大，会随着自身气温的改变使保温性能逐步减弱；泡沫砼的吸水性相对很大，保温性能也会因为地下水的渗入而受到一定损害，导致两种保温方法很少在工程中被采用。聚氨酯泡沫塑料具有导热系数较低、吸水性大等优点，在供热管道中被用作保温材料，使供暖管线直埋敷设的工艺被越来越多地应用到实践工程中[2-3]。供暖管线直埋技术的广泛应用使供暖管线直埋敷设工艺质量获得明显提高，许多国内专家与学者也开始对其展开深入研究。因此，在相关研究与实践的基础上，研究大口径供热管道无补偿直埋敷设方法。1工程概况以某地区集中供热工程为例，对大口径供热管道无补偿直埋敷设方法进行实例分析与验证。该地区供热工程管道以大口径为主，其管径为DN1 500，整条管线长度为1 024 m，整条线路以大曲率弯曲的道路为主。设计初期的供热管道敷设方法以直埋为主，并将管线沿着道路的绿化隔离带敷设在其下方。由于该地区的道路交通管理局认为，无法在此区域利用明开的方式进行施工，容易对此处的交通造成非常严重的影响。鉴于实际情况与地质勘探的报告，该区域地下结构层主要由卵石组成，因此最终采用无补偿直埋敷设方法[4]。2供热管道直埋敷设方法2.1确定弯头应力变化与强度条件因为直埋管道的弯曲形式，在容易产生压力和问题的区域环向式形成的拉伸应力和轴流式形成的拉伸应力，均可被认为是由材料向外扩散的反作用力，而沿作用零点五径向形成的拉伸应力一般为0。假设使用剪应力原理，弯曲角度区域的总应力也将成为主要由环向所产生的应力，而此时的内部应力变化可以大致被分为两个方向，分别是由弯曲的总应力所产生的环向应力以及由内压所产生的环向应力[5]。此时，计算弯头区域产生应力的变化情况以及强度。ωvr+0.5ωor≤3ω (1)ωvr=ϕvNeviUv×10-6 (2)ωor=OsSvu2γv=Osevuγv (3)ϕv=0.91/π2/3 (4)π=Exγv/evn2 (5)evn=evu-γv/2 (6)式中：ωvr——弯头处环向产生的应力变化情况，MPa；ωor——直埋弯头在内部压力作用下，顶部产生的环向压力，MPa；ϕv——弯头在弯曲的情况下，对于加强环向压力的系数；N——弯头转角区域内部变化的范围，m；evi——弯头外部的半径，m；Uv——弯头横截面处抵抗弯曲的性质，N/m2；Os——弯头内部的压力系数；Svu——弯头内部直径，m；evu——弯头内部半径，m；γv——弯头管道壁的厚度，m；π——弯头尺寸的系数；Ex——计算弯头曲折率的半径，m；evn——横截面上平均的半径距离，m。2.2设置管道最大弯臂长度在进行强度的估计过程中，能够使用弯角度弹性以及抗弯铰的分析方法对其进行估计与计算。正常弯头弧形的管径通常比水平直管的口径小，因此能够使用弯头弹性抗弯铰解析法所构成的力学模式替代弯头，把在弹性轨道上变形的管子转变为已经断裂的管子。并且可以在断裂点上重新采用弯头弹性抗弯铰的解析方法对其加以焊接。目前，我国对于城市供热管道施工设计的技术规章制度中有相关规定，对于热管道的水平转角部位的残余应力，应当采用弯头弹性抗扭铰方法进行分析[6]。使用弯头弹性抗弯铰解析法的过程中，为了使计算的过程更加简洁，管臂两端处产生的剪力通常忽略不计，此时管道弯头区域的臂长k为：k≥2.3/j (7)j=Sx·X4WUo·1064 (8)式中：k——管道弯头区域两端的臂长，m；j——与管道硬度相关的参数，1/m；Sx——横向压缩后的弯头直径，m；X——横向压缩过程中，产生反作用力的系数，N/m2；W——管道弯头处的弹性模量，N/m2；Uo——横向压缩过程中弯头横截面处抵抗弯曲的性质，N/m2。2.3控制供热管道预热温度分析无补偿方式的主要特点，在大口径供热管道正常运行之前，需要对其进行预热，预热温度需要保持在供热管道正常工作的温度与设定的最低温度之间。需要特别关注预热的温度与供热管道正常工作温度和最低温度之间形成的温度差，产生的热量应力必须始终维持在管道材料所能承受的最大应力范围之内。通过分析材料的热力学理论，管子材料进行预热的过程中，必然会产生轴流式的应力、环向的应力和径向的应力。其中，轴向应力主要作用于管道沿着其长度方向；环向应力则主要分布在管道横截面上垂直于轴线的方向，能够形成一种额外增加的轴向应力；径向应力是作用在管道横截面上每个点处的径向方向的应力，其数量相对较小且容易被忽视[7]。根据胡克定律可知，轴向的应力ω1为：ω1=-W·ε·Δt (9)额外附加的轴向应力ω2为：ω2=η·ωtan (10)轴向的应力和环向的应力相互作用产生的应力ωεz为：-ωεz=ω1+ω2=-WεΔt+ηωtan (11)式中：Δt——供热管道正常工作温度tf和最低温度tp之间形成的温度差；W——管道材料的弹性模数；ε——管道材料线路膨胀的系数；η——泊松比，取0.3；ωtan——环向的应力；ωεz——管道材料所能承受的最大应力。环向的应力ωtan为：ωtan=oSq2+Su210Sq2-Su2 (12)式中：o——管道内部产生的应力；Sq——管道外部的直径距离；Su——管道内部的直径距离。Su=Sq-2Awdd (13)式中：Awdd——管道壁的有效厚度，为实际厚度减去腐蚀程度得到的数值。腐蚀损耗与实际壁厚的关系如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.014.T001表1腐蚀损耗与实际壁厚的关系管道实际壁厚损耗及腐蚀程度3.50.888.50.9890.00.65mm供热管网停止运行的过程中，管道内部无压力产生，管道内部会处于最低温度的状态。供热管道内部的最低温度利用预热温度进行限制，而预热温度则由管道工作时的温度决定。因此，利用无补偿进行管道敷设时，必须对管道进行预热，使管道内部存在一定的热量。热源能够在管预热前正常运行，可以对管道进行整体的预热，如果无法在预热时进行供热，需要利用移动式热源对其进行分段预热[8]。2.4敷设安装要求与质量控制连接供热管道时，需采用焊接的方式，还需要保证焊接质量，安装队伍任务完成的情况也会直接影响管道的质量评价。此外，还需要对管道材料、管件及接头等零件进行严格质量把关，一旦存在不符合要求的情况，后期供热过程中会使管道中传输的热量出现泄漏问题，一方面会增加供热管道的维修成本；另一方面也会影响供热管网的使用寿命。为了增加供热管道的摩擦力，需要在管道周围进行填砂处理，由此保护聚乙烯的外部材料不被破坏。必要时还需对沟槽进行加宽处理，配合垫片的适应，能够在管道侧面保留一定限度的可移动空间。在实际施工的过程中，根据设计与实际情况，应对管道敷设方案进行适当的更改，其根本原则是使管道保持在合适深度以下，以此避免其使用寿命受到影响。必须确保敷设安装过程的质量控制，做到以人为本、对质量严格把关、以预防为主、保证定期维护与检修。一方面，要对建筑材料的品质进行严密把控，必须在购买、加工、运送、储存及检测等环节中进行全面监督和管理，从源头上避免采用不合格材质。另一方面，必须对施工团队和方案设计等易受到人为因素影响的环节进行严格管理，选择具有相当规模的设计团队，并对施工方案严加严查，进而实现在整个施工过程中对整个流程的严格管理及随时随地监管，并由此确保大口径供热管线的品质[9]。3应用测试与分析为了测试此次提出的大口径供热管道无补偿直埋敷设方法的准确程度和实际使用效果，利用Pipeline Studio平台模拟供热管道的敷设过程，该平台能够模拟管网的敷设状态，分析管道的稳定状态。在该实验平台进行应用测试，选择该供热工程的某一区域管道作为实际的测试对象，代替实际供热管道，降低测试的风险。将文中敷设方法作为此次测试的实验组，以架空敷设方法和套管敷设方法作为对比组。其中，架空敷设法是地上敷设方法，主要在地面上设立支架以支撑管道及其安装。该方法不受地下水位及其他地下管线的影响，便于及时发现故障并进行处理，但其热损失较大，且会影响城市美观。套管敷设方法是地下敷设方法，主要在套管内敷设管道，并在其中进行管道安装工作。该方法的所有外部荷载压力均由套管代替管道本身承担，要求套管具备承受荷载压力的能力。通过比较3种不同的敷设技术测试其实际使用的效果。实验测试保持相同环境下的软基结构，为了保证测试结果的准确性，对不同方法铺设完成的供热管道外部进行温度测试。不同敷设方法应用下供热管道外部温度测试结果如图1所示。使用套管法对供热管道进行敷设时，当供热管道长度从0增加到60 m，其管道外部温度最高达到45 ℃；使用架空法对供热管道进行敷设时，当供热管道长度从0增加到60 m，其管道外部温度最高可以达到70 ℃；使用文中方法对供热管道进行敷设时，当供热管道长度从0增加到60 m，其管道外部温度最高达10 ℃。使用套管法进行管道敷设后，供热管道外部平均温度变化为27.42 ℃；使用架空法进行管道敷设后，供热管道外部平均温度变化为51.83 ℃；使用文中方法进行管道敷设后，供热管道外部平均温度变化仅为6 ℃。文中使用的供热管道敷设技术可以使管道外部温度变化低于10 ℃，管道保温效果较好，且未出现热量被消耗的现象。因此，文中设计的敷设方法可以达到预先需要的效果。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.014.F001图1不同敷设方法应用下供热管道外部温度测试结果4结语采用无补偿直埋技术对大口径供热管道进行敷设，可以减少热量带来的消耗，使整体系统的使用寿命得到提高，实现节约资源与节约成本。全方面发展无补偿直埋敷设技术会成为我国大口径供热管道系统快速发展的重要内容。