市政直埋管线温度应力引起的风险评估分析

许春青，胡晶国

(中国市政工程东北设计研究总院有限公司，吉林 长春 130021)

1 引 言

我国市政直埋管线建设规模随着城市化进程的加快而不断扩大，既有市政直埋管线是城市基础设施和城市生命线工程中非常重要的组成部分。近年来，既有市政直埋管线发生破坏和渗漏的情况频繁发生。因此，开展市政直埋管线运行安全风险评估和检测维护管理，是延长管线使用寿命和降低事故的有效方法。管线直埋敷设因具有造价低、施工速度快、占地面积小等优点，在市政管线系统中应用广泛。直埋管线在地面温度与管线内温度的温差作用下，就会产生温度应力，尤其是在气温季节变化较大的城市，或者遭遇极端低温的城市，这种温度应力表现尤为明显。进行直埋管线的温度应力分析，对管线受气温变化的影响进行评估，具有重要的意义，可为今后市政直埋管线受气温变化引起的风险评估提供可靠依据。

2 直埋管线各计算点的温度值计算

直埋管线在管线内外温差(地面温度与管内温度)作用下，管线内壁和外壁具有不同的温度值。本文依据《城镇供热管网结构设计规范》(CJJ 105-2005)给出的方法，计算直埋管线的管线内外温差，如图1所示。

图1 直埋管线示意图

管线内外壁不同计算点的温度值，公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，Tj为计算点的受热温度(℃)；Tg为管线内介质温度(℃)；Ts为地面空气温度(℃)；Rt为管线层及计算土层等的总热阻(m2·℃/W)；Ri为管线第i层的热阻；λs为计算土层的导热系数(W/(m·℃))；λi为管线层的导热系数(W/(m·℃))；hi为管线层厚度(m)；hs为计算点到地面的土层厚度(m)；Rg为管线内表面的热阻(m2·℃/W)；Rs为计算土层(砂土)的热阻(m2·℃/W)；Ra为计算土层外表面的热阻(m2·℃/W)；αg为管线内表面的放热系数(W/(m2·℃))；αa为计算土层外表面的放热系数(W/(m2·℃))。

3 直埋管线温度应力分析

当弹性体的温度有所改变时，其每一部分都将由于温度的升高或降低而趋于膨胀或收缩，但由于弹性体所受的外在约束，以及各部分之间的相互约束作用，这种膨胀或收缩并不能自由地发生，于是就产生应力，即温度应力(变温应力)。市政管线中直埋敷设的管线，依据其材料特性，可采用弹性理论的分析方法，对其进行应力分析。

3.1 温度应力计算

根据弹性力学第四类边界条件：假设已知物体和与之接触的另一物体以热传导的方式进行热交换，并且完全接触，则弹性体内的已知变温决定体内的温度应力。本文采用圆环的轴对称温度应力计算方法，计算不同材质(钢管、铸铁管及塑料管)的直埋管线，在温度荷载作用下的温度应力。市政直埋整体管线适合于边界条件为无限长圆筒或两端受完全约束的有限长圆筒，非整体管线适合于边界条件为有限长且两端不受约束的圆筒。

3.1.1 纵向温度应力

整体管线：

(7)

非整体管线：

(8)

式中，μ为管材泊松比，取值见表1；α为管材线膨胀系数(1/℃)，取值见表1；E为管材弹性模量(N/mm2)，取值见表1；a为管线内径(mm)；b为管线外径(mm)；ρ为管壁任一点到管线中心的距离(mm)；Ta为管线内壁计算温度(℃)；Tb为管线外壁计算温度(℃)。Tρ为管壁任一点的计算温度(℃)。

3.1.2 环向温度应力

(9)

3.1.3 径向温度应力

(10)

3.2 管线材料性能参数

钢管、铸铁管及塑料管的材料性能参数见表1。

表1 材料性能参数表

4 直埋管线温度应力对比分析

采用上述公式，计算了不同材质、不同管径的直埋管线(钢管、铸铁管及塑料管)，在不同覆土埋深、不同管线内外温度差的条件下，各种管线的各计算点的内外温度差值、环向温度应力、径向温度应力和纵向温度应力。

算例1：当管内介质温度为3℃，地面温度为-36.40℃，覆土厚度分别为0.5m、1.7m时，管道内径为600mm、管壁厚10mm的钢管直埋管线，其各计算点的温度应力值见表2。

表2 算例1的各计算点温度应力值

算例2：当管内介质温度为3℃，地面温度为-36.40℃，覆土厚度分别为0.5m、1.7m时，管道内径为1800mm、管壁厚20mm的钢管直埋管线，其各计算点的温度应力值见表3。

表3 算例2的各计算点温度应力值

算例3：当管内介质温度为3℃，地面温度为-36.40℃，覆土厚度分别为0.5m、1.7m时，管道内径为600mm、管壁厚10mm的铸铁直埋管线，其各计算点的温度应力值见表4。

表4 算例3的各计算点温度应力值

算例4：当管内介质温度为3℃，地面温度为-36.40℃，覆土厚度分别为0.5m、1.7m时，管道内径为1800mm、管壁厚20mm的铸铁直埋管线，其各计算点的温度应力值见表5。

表5 算例4的各计算点温度应力值

算例5：当管内介质温度为3℃，地面温度为-36.40℃，覆土厚度分别为0.5m、1.7m时，管道内径为600mm、管壁厚30mm的塑料直埋管线，其各计算点的温度应力值见表6。

表6 算例5的各计算点温度应力值

算例6：当管内介质温度为3℃，地面温度为-36.40℃，覆土厚度分别为0.5m、1.7m时，管道内径为1000mm、管壁厚47.4mm的塑料直埋管线，其各计算点的温度应力值见表7。

表7 算例6的各计算点温度应力值

5 结论和建议

(1)整体钢管线纵向应力远大于环向应力和径向应力，纵向应力主要取决于地面温度和管内介质温度的差值，受埋深变化的影响微小，而环向应力随管壁厚度增加而增大。

(2)非整体铸铁管线纵向应力和环向应力基本相当，皆远大于径向应力。纵向应力和环向应力随深度增加而减小，随壁厚增加而增大。

(3)整体塑料管线纵向应力小于环向应力，两者皆远大于径向应力。纵向应力和环向应力随深度增加而减小，随壁厚增加而增大。

(4)不同材质的直埋管线，在相同的覆土厚度、相同的地面温度与管内温度的温差条件下，管线产生的环向温度应力、径向温度应力从大到小的排列顺序为：整体塑料管线、整体钢管线、非整体铸铁管线，纵向温度应力从大到小的排列顺序为：整体钢管线、整体塑料管线、非整体铸铁管线。

(5)同一材料与同一管内直径的直埋管线，在相同的覆土厚度、相同的地面温度与管内温度的温差条件下，管线的管壁越厚，则管线内外壁的温差越大，管线产生的温度应力均越大。

(6)直埋管线的覆土厚度、地面温度、管线内径、管线壁厚、计算点位置和管内介质温度是市政管线气温变化风险评估导则的重要评估指标。

(7)当既有市政直埋管线遭遇极端气温变化时，可以针对不同材质的管线进行风险评估并确定运行安全能力。