供热直埋热水管道的曲管问题研究

郭东升

（辽宁城建设计院有限公司，辽宁 抚顺 113000）

0 引言

城市地下管线分布情况十分复杂，在铺设供热直埋热水管道过程中，为躲避地下障碍物以及其他管线系统，需要及时调整供热直埋管线方向，在此过程中需要使用大量曲管。与直管相比，曲管的荷载分布情况更为复杂，加工难度更高，不同角度的曲管，其受力情况存在很大差别。从理论方面来看，当供热直埋管道曲管的转角范围在80°～120°时，曲管具有良好的补偿能力，加工技术也较为成熟。但是在很多情况下，受限于施工现场实际情况，曲管的转角范围小于80°或大于120°。针对转角范围不在80°～120°的曲管受力情况的研究尚存在不足，无法保障其质量。因此，施工人员只能通过加装补偿器以及增加固定设备等方式，确保曲管能够稳定工作，不仅增加了工程量，也会整个供热管网系统增加了很多新的风险点。为解决这一问题，研究人员尝试从力荷载、位移荷载以及力-位移荷载三方面入手，深入分析曲管荷载分布情况。同时基于供热直埋管道的实际工作环境，分析供热直埋管道的失效形式，并针对曲管可能出现的问题制定具有针对性的解决措施。实际生产过程中，小折角与曲管的加工方式以及受力情况存在很大不同，小折角的应力较为集中，零件的使用寿命较短且容易出现破损。但是与曲管相比，小折角的制备工作相对简单，使用方式也较为灵活，因此被广泛应用于管道敷设之中。根据《城镇供热直埋热水管道技术规程（CJJ/T81-2013）》中的相关规定，当供热管道循环温差达到120℃之后，大口径管道折角最大值不得超过0.1°，这就令折角的使用价值显著下降。与折角相比，曲管的受力更为均匀，可以通过调整曲管半径的方式提高其承受能力，研究供热直埋热水管道曲管问题，能够进一步提高曲管适用性，为5°～40°曲管在供热直埋管道系统中的应用提供理论基础。因此，该研究具有较强的理论意义与现实意义。

1 管道荷载和失效形式

1.1 管道所受荷载

在供热管网系统中，热水管道产生内力或是使管道变形的作用力称为管道所受荷载[1]。管道受到的荷载种类较多，当管道因荷载发生变形时，也会导致力学作用产生，对管道造成一定的破坏效果。管道变形与荷载之间的关系是对管道所受荷载进行划分的依据，荷载形式主要包括：

1.1.1 力荷载

管道所受的力荷载，通过作用力的形式施加在管道上，力荷载有内压力、垂直净土压力和机动车动土压力三种。

当管道承受内压力时，会出现变粗变短的趋势，内压力作用在管壁上产生环向应力：

式（1）中：Pd表示内压力，Di表示供热水管内径，δ表示供热水管管壁厚度。

垂直静土压力计算公式一般有两种，主要是根据管道中心线与当地地下水位深度之间的高低关系来分。

在管道中心线高于地下水位时，土壤应力计算如下：

式（2）中：σv是土壤施加给管道的应力，ρ表示回填土密度，g是重力加速度，H为供热水管的回填土深度。

当管道中心线低于地下水位时，土壤应力计算如下：

式（3）中ρsw为回填土有效密度，Hw为地下水位线深度。

依据相关设计规范，在计算机动车动土压力时：一般取α=30°，因此机动车作用在管道上的动土压力为：

式（4）中的h 表示直埋敷设管道覆土深度。现对直埋敷设管道规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 位移荷载

使管道发生变形或产生位移的效果的作用力称为位移荷载。位移荷载的产生原因主要有固定墩的固定作用和初应变荷载两种。

固定墩的作用是固定管道以控制管道变形的，同时会受到来自管道两侧比较大的推力。固定墩与管道之间的互相作用力分别是管道因温度变化产生的热伸长量，由于受到覆土压实而受限制，进而受到固定墩的作用力；被固定的管道两侧，因计算截面积不同产生内压力不平衡的作用力；管道活动部分因发生位移受到的作用力，例如套筒补偿器与管道之间产生的摩擦力、曲管的弹力、土壤与管道之间的摩擦力等。

初应变荷载即管道内水温变化与内压力作用下的泊松拉应力产生初应变导致的荷载。忽略管道塑性变形，在弹性状态下的初应变荷载为：

式（5）中，σ代表初应变荷载，T1与T0表示供热循环水温度极值，E 代表地面振动荷载，该公式由两部分组成，前后两部分分别是由温差导致的初应变荷载和内压泊松效应导致的初应变荷载。

1.1.3 力-位移荷载

受周围土壤的作用，供热直埋热水管道所受的力-位移荷载与架空敷设和地沟铺设有较大不同，主要有补偿器的弹性力、土壤的侧向压缩反力和土壤与管道之间的摩擦力三种。

补偿器的弹性力：在直埋供热管网中经常会使用到补偿器，套筒补偿器产生的摩擦力并不是力-位移荷载；波纹管补偿器由于其波纹所具有的刚度，在管道受热膨胀时会产生相应的弹性力。

土壤的侧向压缩反力：由于管内温度变化频率高，曲管弯头的两侧都会发生轴向位移，在一侧轴向位移的作用下，又会引起另一侧的水平位移，使得弯头与土壤之间形成侧向挤压，此时会有土壤的侧向压缩反力产生，这也是力-位移荷载的一种。

土壤与管道之间的摩擦力：管道与土壤之间由于滑动经常会产生摩擦作用力，土壤对管道产生的摩擦力会因距离长短而不同，相对管道有位移产生甚至有位移趋势时产生的摩擦力。

1.2 直埋热水管道失效形式

依据现有对管道应力的分析方法可知热水管道所受荷载分别是一次应力、二次应力和峰值应力[2]。分析不同应力时需采用相应的强度理论进行分析，进而对管道失效方式进行分类。对常见的管道失效方式进行总结后，可将管道失效形式分为无限制塑性变形、循环塑性变形和疲劳破坏三种。

无限制塑性变形：管道内充注着有压高温液体，在管内流动时热水会对管壁产生应力作用，如果应力超过规定值范围，就会导致管道发生无限制塑性变形，在情况比较严重的时候，热水管道会因此炸裂开来。

循环塑性变形：管道内水温在高温低温之间循环，巨大的温差导致管道经常性热胀冷缩，使得管道产生交替拉伸、压缩屈服，此情况同时产生一次应力与二次应力，当前述两种应力同时作用时，就会使得管道产生循环塑性变形。管道温度会随着管道内部水温的变化而变化，由于水温在高温与低温之间循环，所以供热管道的形变值就会出现最大值与最小值。

疲劳破坏：疲劳破坏分为低循环疲劳破坏和高循环疲劳破坏两种。管壁温度变化是导致热水管道破坏的主要原因，在供热过程中，对管道内的水温有要求，不能忽冷忽热，管内温度很少会变，由于不经常发生的温差变化引起的破坏称为低循环疲劳破坏。当机动车等通过管道上方时，其荷载会导致土壤下方管道产生应力集中，加之机动车出现概率较大，数量较多，所以称之为高循环疲劳破坏。其与管道的填埋深度有关，可适当采取增加埋深度等措施减小高循环疲劳破坏对管道的影响[3]。

2 直埋热水管道曲管特点及制备方式

2.1 曲管的特点

在供热直埋热水管道两端分别增加弯曲力矩时，会使管道产生弯曲，此时管道的曲率半径会依据施加力矩的大小变化为与之对应大小。直埋热水管道一般为钢管，钢管发生弯曲的地方称为变形区，未发生变形的区域称为未变形区。当管道发生弯曲情况时，管道内部的金属晶格会发生变形，在管道截面处，内部金属晶格变形方式并不一致，其中内侧晶格会在弯矩的压力下产生的压缩变形；管道弯曲外侧晶格是受相反的弯矩产生的拉力从而变形的。

在供热直埋热水管道产生弯曲的初始阶段，管材还处于弹性时期，应力和应变之间是正比例关系，也符合胡克定律，在弯曲刚开始时应力、应变中性面均通过横截面的重心，并与之重叠。当管道弯曲程度越来越大时，管道内外壁会随之产生屈服，并且向管道中间发散，管材逐步进入屈服阶段，在管材发生屈服的过程中，应力、应变中性面都会相对横截面重心有所偏移，偏移方向随曲率半径的增大向弯曲中心进行，在偏移过程中，应变中性面的偏移量会小于应力中性面的偏移量[4]。

供热直埋热水管道的变形主要是由曲管内侧的压缩与外侧的拉伸引起的，在整个的应变中切向应变是最大的。当材料处于没有变形的状态时，只有在材料产生线应变量时，会使得原材料的长度与或者体积产生变化；同时，因为切应力导致的相关变化往往会使得应变的数值相反，所以，通常情况下也会忽略此变化。在供热直埋热水管道弯曲过程中，在管道变形区的最内侧和最外侧产生的切应力的数值往往是最大的，变形区内管壁内外侧的厚度变化幅度也是最大的。随着管道弯曲程度越来越大，管壁的厚度变化也会越来越明显，变化幅度也会较之前有所增加。此时，曲管内外侧会出现不同的情况：曲管外侧由于壁厚减小出现裂纹，在曲管内侧会因为管壁厚度增加使材料之间产生挤压最终出现屈曲。当弯曲管道口径比较大时，原本弯曲后呈现的圆形截面会出现椭圆化的变形[5]。供热直埋热水管道弯曲的过程中非常容易产生不良后果，最为常见的有：（1）曲管外侧管壁厚度过分降低，越来越薄，最终导致管道出现裂纹；曲管内侧管壁厚度由于管材的不断堆积以致过度，最终容易产生褶皱；（2）曲管原本的圆形横截面会在弯曲过程中产生椭圆化的变形。

2.2 曲管的加工制备方式

在具体加工工艺中，曲管的加工制备方式是比较多的，分类标准也不一样，比如根据弯管形式不同可以分为压弯、拉弯、绕弯等多种方式；在加工制备曲管时如果有加热，就称为热弯弯管，没有加热的称为冷弯弯管；还有依据加工制备时如果有填充应用的物料的就称为有芯弯管，没有任何物料填充的就称无芯弯管。在制备曲管时在考虑管道截面外形特征、曲管制备工艺影响因素之外，还应当要注意：（1）在实际的工程中，曲管的制备工艺需要根据材料种类、应用精度需求、不同外形尺寸数据等，综合考量选用符合要求的制备工艺；（2）根据曲管的综合属性，选取可降低管道截面变形、管壁厚度变化的制备工艺，以提升管道的质量；（3）在制造设备的选择方面应当选用操作简单、广泛通用的弯管模具与机械设备；在保证生产效率的同时，尽量选择经济效益好的制备工艺。

3 曲管加工中存在问题与应对措施

加工曲管过程中，受到加工技术的限制以及粗放式加工模式的制约，曲管加工质量会受到一定的影响。比如加工管材弯曲后可能会出现管壁厚度的增加或减少，使得管壁厚度整体不均匀，管道截面进一步出现椭圆化形变的情况。一般情况下，随着管道弯曲程度越来越大，管道曲率半径也会出现相应的变化，可能会使管道的形变程度加剧，不利于实际应用[6]。

3.1 管道加工缺陷

3.1.1 管道壁厚不均

管道壁厚不均匀的情况主要是由管道弯曲过程中外侧拉应力、内侧切应力作用引起的。曲管部位外侧拉应力使管壁厚度减少，内侧压应力使得管壁厚度增加，其内弧、外弧处管壁厚度变化最大，终使得管壁厚度不均匀。如果管道壁厚度不均，管道内的有压流体会对管壁产生不同程度的压力，部分管壁对内部有压流体的压力承受能力大幅降低，对供热直埋热水管道的工作情况造成很大影响。

加工过程中，往往引入壁厚减薄率来检测管材加工质量：

在式（6）中，t为设计管道壁厚，tmin为管道发生弯曲后管壁的最小值。

管道的应用场景不同时，对管道壁厚减薄率的要求也不尽相同。均匀弯曲管壁厚度最大减薄量以△t 计：

式（7）中t为管道设计壁厚，D为管道外侧直径。

管壁厚度降低变薄，既受到弯曲半径和相对厚度影响，也受到所选曲管方式影响。

3.1.2 管道截面椭圆化

在管道发生弯曲时，因为管道横截面上管壁的变形程度不同，会导致管壁截面的形状发生变化，由圆形变为椭圆形。管道的端面形变程度越大，截面的椭圆形变程度就会随之增大，所以管壁截面的椭圆形变程度侧面反映了曲管的加工质量。供热直埋热水管道出现弯曲后，供热管网系统会因为管道截面椭圆化出现很多潜在的隐患，对整个系统造成威胁。比如，管道截面椭圆化会导致管道截面面积变小，管道内的流体循环压降会增大，还有管道截面椭圆化会使得曲管难以在供热管网中发挥相应的作用。在研究管道截面变形程度时，为方便研究分析，引入椭圆度概念：

式（8）中u为椭圆度，Dmax与Dmin分别表示管道弯曲以后截面某一方向测量到的最大外径与最小外径。根据公式可以看出，曲管截面变形程度越大，椭圆度数值也会越大。因此。想要保证曲管的加工质量，椭圆度是很合适的参考。

3.2 曲管加工缺陷的应对措施

3.2.1 提升管道壁厚均匀度

将管道弯曲时产生的应力集中进行分散，减少受力集中。在管道弯曲过程中，将弯曲管材的内侧部分加热，扩大管道弯曲时内侧受压部分的变形区，减小受热管材的变形抗力，从而减小外侧受拉部分的应力，进一步降低管道壁厚不均。

调整管道弯曲时变形区内部应力分布，即增加管道弯曲内侧的压应力，减小外侧的拉应力。比如使用绕弯弯管制备工艺时，采取定压弯管的措施，就会大幅减小管道壁厚不均情况的出现。在管道弯曲时，对管材施加轴向压力，将曲管中原有应力分布进行改变，比如，向外部偏移原有的应力中性面，可以使压缩变形的范围得到扩大，同时使拉伸变形的范围有所缩减，从而减少管道壁厚不均的情况。再比如，应用推弯加工工艺制备曲管时，通过对管道施加轴向力，改变变形区内应力分布的状态，进一步增加压应力的组成成分，提高壁厚均匀程度。

3.2.2 降低管道截面椭圆度

在加工制备曲管时，可以采用增加适量芯棒以支撑断面的方法，降低管道截面的椭圆形变程度。在加入芯棒时，要充分了解加工工艺，以便选取正确的芯棒，比如在采用压弯或者绕弯等制备工艺时，通常会在曲管内插入截面亦为曲面的刚性芯棒。将其放在需要弯曲变形的部位以支撑管道，当管道弯曲结束后，将芯棒从管道内逐渐移出即可，这样会对管道端面椭圆度的减小起到了较好的效果。

为避免管道截面椭圆化变形，也可以采用向管道内填充一定的物质材料的方法。通常情况下向管道内进行填充的材料有固体颗粒（细砂、橡胶颗粒等）、液态流体（水等）、合金材料（熔点要低）等。这几种填充物比较容易在管道弯曲后倒出，对弯管的使用不会造成太大影响。并且，此方法由于操作简单，填充物易得，而被广泛应用于实际工程中。

应用模具控制管道截面变形。在曲管加工制备时，采用与管道匹配的模具，从管道的外部进行固定作用以控制截面变形，进一步降低曲管截面椭圆化的形变。

4 结论

为满足供热直埋热水管道工程施工要求，相关研究人员深入研究大直径供热直埋管曲管加工方法以及应力分布，并利用ANSYS 软件对不同直臂长度、不同曲率半径、不同转角曲管进行有限元分析，并得出了许多重要结论：（1）通过对大直径直埋热水供热管道的温度载荷、内压载荷和适当边界条件的模拟分析，得出应力主要集中在内弧内表面和中性面外表面。（2）阐述了目前各种曲管加工工艺。针对各种加工方法的缺陷，提出了减小椭圆度和不等臂厚的方法，并指出了适合工厂预制的加工方法和施工现场弯管的方法。（3）当平均臂长相同时，肘部的应力大致相同。这一结论简化了曲管类型，使等臂长度的研究结果适用于直臂组合的各种工况。