1 绪论
1.1 选题背景
近几十年来，随着技术水平的发展提高，城镇集中供热系统规模不断的扩大，城镇热水供热管道直埋敷设技术也变得越来越成熟[1-2]。相比与传统供热管道敷设方式，城镇热水供热管道直埋敷设技术具有众多优点，该技术的推广使用，不仅满足了城市建设的需求，还推进了社会经济的快速发展[3]。 十七大召开以来，在国家政策的号召下，城镇集中供热系统也纳入到了“十二五”规划中，而且在新建、改建和扩建的热水供热管道工程中，供热管道直埋敷设方式的优势尽显。2014 年 2 月 1 日，《城镇供热直埋热水管道技术规程》（CJJ/T81-2013）(以下简称《规程》)颁布实施，原行业标准《城镇直埋供热管道工程技术规程》（CJJ/T81-98）废除[4]。新《规程》修订的主要内容：1 对适用范围进行调整，扩大了管径范围；2 增加管道的保温计算；3 管道局部的稳定性验算、摩擦力的计算、固定墩设计有所调整；4 增添运行与维护部分；5 删除了原规程附录 D 三通加固方案[4]。 新《规程》适用条件：新建、改建或扩建的设计温度≤150℃、设计压力≤2.5MPa、管道公称直径≤1200mm 的城镇供热直埋热水管道的设计、施工、验收和运行管理。由于现有的新建施工管径越来越大，旧《规程》已经不再符合实际的使用情况，而新《规程》的颁布实施，对我国城镇直埋供热管道工程的设计、施工以及验收标准进行了统一，为城镇热水供热管道直埋敷设技术提供了强有力的保障。 根据实际工程案例，对于大部分供热管道，直埋敷设方式是适用的，其中，无补偿冷安装直埋敷设供热方式优势最大[5]。由于旧《规程》的管径范围最大为DN500，使得大管径的热水供热管道直埋敷设方式缺乏相应的理论依据。新《规程》的颁布实施，使得大管径的直埋敷设设计更加安全可靠，在某些实际工程的设计和施工阶段，一些设计院和热力公司已经将此技术大量应用，并且运行效果良好[6]。
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1.2 国内直埋敷设供热管道技术发展现状
20 世纪 50 年代，我国直埋供热管道技术十分落后，使用的保温材料以填充矿渣棉、预制泡沫混凝土瓦块等普通保温材料为主[7]。 20 世纪 60 年代，我国采用草绳作为保温材料；之后，热压沥青珍珠岩制品也成为了直埋敷设供热管道的保温材料，这种办法可以有效的削弱供热管道与保温层之间的摩擦力。 20 世纪 70 年代，北京煤气热力所与其他单位合作研究，完成了热水直埋供热地坑实验，热力管道无补偿直埋敷设实验，对直埋管道的应力情况做了试验测试[8]。 20 世纪 80 年代，伴随着改革开放的不断深入，我国直埋供热管道敷设技术取得了飞速发展，在我国东北、华中和华北地区开始了广泛的应用，经济效益和安全性能十分显著。但是，在施工过程中发现，我国无论是保温材料的质量，还是施工工艺及施工方法都和国外有着一定的差距。比如，受环境温度的影响，聚氨酯发泡比例不当（黑白料比例）会使得产品空隙大、强度低，发泡原料浪费巨大、成本较高；利用手工缠绕的玻璃钢、有碱玻璃丝布和饱和树脂制作保护层，导致防水性能差，强度低；高密度聚乙烯管利用再生塑料为原料进行生产，很难保证其耐高温性能以及抗拉强度；施工人员的上岗培训质量参差不齐[9]。 20 世纪 80 年代中期，国内专业人员通过出国学习考察，促使我国直埋供热管道技术和保温管技术突飞猛进[10]。哈尔滨、天津等地区将数十千米预制保温管生产线引入我国。此外，哈尔滨市还建成了一家预制直埋保温管工厂，其年产量达到 200km。
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2 供热管道的布置原则和敷设方式
2.1 供热管道布置原则
集中供热系统中，供热管道将热源和用户相连进行热媒传输[21]。供热管网可分为枝状管网和环状管网。枝状管网如图 2.1 所示，当与热源的距离增加时，供热管网的管径应随之减小。但是，枝状管网供热稳定性低，假如供热管网局部产生故障，则故障点之后的热户都将停止供热。环状管网如图 2.2 所示，供热管道主、干线形成一个环路，管道直径较大，环状管网具备优良的备用功能，管网供热稳定性好，当管网局部发生故障时，故障点之后的热户可由其余连接管路继续供热[22]。供热管道平面布置即选定管道的走向和平面管线位置，也可称之为管网定线。供热管网进行平面布置时应遵循以下原则[23]： 1.技术可靠。供热管道的敷设应当满足国家现行标准，选取地势比较平坦、土质良好和地下水位低的地区，而且可以比较迅速的解除一些故障事故。直埋热水管道与相关设施的净距见表 2.1。2.经济合理。在热负荷集中的地方敷设管网主干线，力求管线短而直，减少金属消耗。
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2.2 供热管道敷设方式
供热管道的敷设是指依据供热管道及其附件的设计条件将它们进行组装，并使其正常工作[24]。供热管道的敷设包扩：地上敷设和地下敷设。地上敷设又称为架空敷设，是供热管道敷设在地面以上的支架或构筑物之上的敷设方式[25]。地上敷设根据支架高度的不同分为低支架、中支架、高支架敷设，如图 2.3 和 2.4 所示。在不妨碍交通，不影响厂区扩建的地方均可采用。需要跨越交通路线处，可以局部升高。固定支柱必须使用钢或者钢筋混凝土结构，其他构件可以使用砌筑，可以就地取材。低支架敷设方式节约材料，施工以及维护比较方便，是最经济的敷设方式。为了避免水、雪的侵蚀，保温结构底部应与地面保持至少 0.3m 净高。当供热管道需要跨越公路、铁路或者主通行车辆的地方，需要采用高支架敷设的方式。其保温层外壳距离地面的净距为 4m 以上，当供热管道需要跨越公路时净距为 4m，当供热管道需要跨越铁路时净距为 6m。高支架敷设方式和低支架敷设以及中支架敷设相比较，消耗材料多，投资比较大，检修维护很不方便，并且必须在管道上有附件（比如阀门）的地方设置操作平台。
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3 供热直埋敷设管道应力分析准则 ..... 15
3.1 直埋供热管道的受力分析 ...... 15
3.2 直埋供热管道的失效方式 ...... 17
3.3 管道的安定性理论分析 ........ 20
3.4 强度验算方法 ........ 21
3.5 应力验算方法 ........ 22
3.6 本章小结 .... 23
4 无补偿冷安装直埋供热管道的受力计算与稳定性验算 ........... 25
4.1 无补偿冷安装直埋供热的概念 .......... 25
4.2 直埋热水管道无补偿冷安装方式的理论依据 ...... 25
4.3 应力计算原则 ........ 26
4.4 管道一次应力计算 .... 26
4.5 直埋供热管直管段的轴向力和热伸长 .... 30
4.6 允许无补偿管段存在的最大循环温差 .... 36
4.7 直埋供热管道转角管段弹性抗弯铰解析计算法 .... 37
4.8 直管段的局部稳定性验算 ...... 44
4.9 供热管道竖向稳定性验算 ...... 46
4.10 本章小结 ........... 47
5 预制直埋供热管道的数值模拟和结果分析 ..... 49
5.1ABAQUS 模拟软件简介 .......... 49
5.2 有限元分析法简介 .... 49
5.3ABAQUS 有限元分析过程 ........ 50
5.4 研究目的和方法 ...... 50
5 预制直埋供热管道的数值模拟和结果分析
5.1ABAQUS 模拟软件简介
ABAQUS 是一套功能十分强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS 的单元库十分丰富，可模拟任意的几何形状。材料模型库的类型也十分的丰富，可以模拟工程材料的性能，其中比较典型的有金属、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及特殊地质材料，作为一种通用的模拟软件，ABAQUS 不仅能解决很多结构（应力/位移）问题，还可以对许多工程问题进行模拟研究，比如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透/应力耦合分析）及压电介质分析。 ABAQUS 有两个主求解器模块：ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit。除此之外，ABAQUS 还包含一个人机交互前后处理模块—ABAQUS/CAE。对于一些比较典型的问题还特别提供了专用的模块。 ABAQUS 是一款功能十分强大的有限元分析软件，能够模拟十分复杂的高度非线性问题。ABAQUS 不仅能够分析单独的力学及多物理场，还能够对整个系统进行分析和研究。ABAQUS 的系统级分析的特点是其他软件所不具有的。
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结论
目前，我们国家的高温热水直埋供热管道的无补偿冷安装方式从设计到施工应用中还没有真正全面的开展。本论文对直埋供热管道进行了详细的理论介绍、应力分析、理论设计计算以及有限元的模拟分析，形成了一套比较完整的研究体系。本论文主要得出了以下结论：
1.对直埋供热管道的受力、失效方式进行分析，论述了使供热管道满足稳定状态的条件并达到无补偿冷安装的敷设方式。
2.当管道内部的供热介质温度比较高时，管道的应力会很高，当采用无补偿冷安装敷设时，需要对供热管道的薄弱地方进行处理。
3.在实际供热时，管道的一次应力一般不会对管道造成危害，造成危害的主要影响因素是二次应力；无补偿冷安装直埋敷设供热管道的循环塑型强度条件仅仅与循环温差有关系，与管道的安装温度没有关系；通过理论设计计算，可得出，供热管道工作温差只要小于最大循环温差并满足理论计算的安定性条件，是可以实现无补偿冷安装的。
4.对管道的有限元模拟分析可知，管道焊接处的人为造成的微小角度折角形成了自然补偿，确实起到了分割轴向热伸长量的作用，进而减少了补偿器的使用，乃至实现直埋供热管道的无补偿冷安装。
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参考文献(略)