某高温高压供热管道事故分析

梁 鹂

太原市热力设计有限公司

某高温高压供热管道事故分析

梁 鹂

太原市热力设计有限公司

本文针对某直埋高温管道破裂，对导致管道失效的各种应力破坏形式进行了分析，提出直埋管道在设计计算时要充分考虑管道刚度以及内压、温度、局部屈曲对壁厚的影响，同时要注意直埋管道环境变化对管道的影响，从而提出一种针对性的补救措施。

直埋高温水管道 强度失效 稳定失效 应力 壁厚

某供热管网管径DN700，设计供回水温度130/70℃，设计压力1.6MPa，管材采用Q235-B，以直埋敷设方式为主，敷设于城市主干道的人行车道下，穿越一处铁道时采用顶砼套管的施工方式。该项目于2008年开工建设并于当年投入运行。

1 管线设计方案

管线为长直管道，东西向布置，在桩号为1+237处设置一处固定加补偿器小室（固定在西侧），在桩号3+010处也设置了补偿器加固定的小室（固定在东侧）。在桩号为2+400处地面上有一处铁道线。该段管线平面简图见图1。

图1 管线平面简图

穿越铁道线顶管长度为12m。顶管断面见图2。

图2 顶管断面图

顶套管施工完成后，测量出套管的实际坐标和高程，调整两侧的管线平面和纵断，以保证管道的敷设满足技术条件。调整后平面见图3。

图3 调整后管线平面图

2 事故状态

该管线2013年停热后，处于湿保护状态，然而，某日该管段大量失水，泄空管道内的水，将机器人放入排查，发现管道开裂。机器人拍照结果见图4，开挖后取出发生断裂的管子见图5。

图4 机器人拍摄的内部影像资料

图5 开挖后取出的管道外部照片

3 事故原因分析

3.1 事故原因

该管道发生拉裂的部位位于锚固段，且位于套管内，周围没有回填土，偏离管道无补偿直埋的计算模型。而且顶管管中心距大于直埋管中心距离，对接的过程中有明显的错台，初步判断管道是由于出现局部失稳导致的破裂。

3.2 管道壁厚的复核

大口径管道发生屈曲的几率与其口径和壁厚有关。

该管道管材为Q235-B，壁厚为10mm，平均埋深2.0m。对于 Q235B，α=12.6×10-6m/(m·℃)，E=19.6× 10-6MPa，υ=0.3。

3.2.1 内压作用最小壁厚

工作管的最小壁厚按式（1）计算[1，2]:

式中：δ为工作管的最小壁厚，mm；p为设计压力，取1.6MPa；D0为管子外径，mm；[σ]为钢材在设计温度下的许用应力，材质Q235-B取125 MPa；η为许用应力的修正系数，螺旋缝焊接钢管取0.9；Y为温度对计算管子壁厚公式的修正系数，材质Q235-B取0.4。

直管承受内压最小壁厚计算结果为5.06mm。以上计算结果只考虑了内压的最小要求，还未计入钢管加工壁厚负偏差。负偏差值考虑0.8mm，考虑负偏差后壁厚为5.86mm。

3.2.2 温度变化作用最小壁厚

对于工作管直管段的当量应力变化范围应进行验算，当量应力变化范围应满足下列表达式的要求[1，2]:

式中：σj为内压、热胀应力的当量应力变化范围，MPa；ν为泊松系数；σt为管道内压引起的环向应力，MPa；α为钢材的线膨胀系数，m/(m·℃)；E为钢材的弹性模量，MPa；t1为管道工作循环最高温度，℃；t2为管道工作循环最低温度，℃；pd为管道的计算压力，MPa；Di为钢管内径，m。按3[σ]=375MPa计算，满足无补偿冷安装强度条件的钢管最小壁厚为5.06mm，负偏差值考虑0.8mm，考虑负偏差后壁厚为5.86mm。

3.2.3 管壁局部屈曲作用最小壁厚该管道为DN700，还应进行局部稳定性验算[1，2]：对于 Q235-B，α=12.6×10-6m/(m·℃)，E=19.6×10-6MPa，υ=0.3，则

得出最小壁厚8.1mm。负偏差值考虑0.8mm，考虑负偏差后壁厚为8.9mm。

3.2.4 钢管取用壁厚

该段管道壁厚为10mm，完全满足上述条件。

3.3 事故原因分析

经过对管道壁厚的复核计算，壁厚完全满足无补偿冷安装的要求。按照《城镇供热直埋热水管道技术规程》（CJJ/T81-2013）规定，DN700的管道可视为直管段的最大折角为0.1°，现场发现的角度远远大于0.1°。折角越大，折角的应力越大，允许的疲劳次数越少[3]。

分析其发生破裂的原因在于锚固段处出现顶管施工，管道和套管之间出现空腔，且管道衔接处出现较大的角度，致使管道在强大的轴向力作用下发生局部失稳，从而导致管道破裂。

4 解决办法

截除破裂的管段，调整管道之间的夹角，在夹角超标的地方采用18个肋板加强焊缝，肋板厚度20mm，由于套管和管道之间距离还比较大，采用人工往里填塞砂袋，填满管道和套管之间的空隙。目前管道还运行平稳。

5 结束语

1）直埋供热管道必须严格按照设计施工，当环境状况偏离计算模型时需要及时修正和验算，适时调整方案，充分考虑各种不利因素可能会带给管道的伤害。

2）管道之间夹角的集中应力是非常大的，一定会给管道带来不良后果。施工过程中一定要引起高度重视。

[1] 王飞,张建伟.直埋供热管道工程设计(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版,2014

[2] 城镇供热直埋热水管道技术规程(CJJ-T81-2013)[S].北京:中国建筑工业出版社,2013

[3] 王飞,钱保娴,王国伟.直埋供热多折角曲管的数值分析[J].建筑热能通风空调,2012,(5):69-71

An Accident Analysis of the High-temperature and High-pressure Heat-supply Pipeline

LIANG Li
Taiyuan Heating Power Design Co.,Ltd.

For a high-temperature direct-buried pipeline rupture,the various forms of stress damage that cause of pipeline failure were analyzed.The impact of pipe rigidity and inner pressure,temperature,local buckling on thickness of the pipeline must be considered were put forward during direct-buried pipeline designing and calculating.Meanwhile, the impact of environmental change on buried pipelines must be noticed.Thereby,a targeted remedial action was proposed.

the high-temperature direct-buried pipeline,failure by strength,failure by instability,stress,thickness of the pipeline

1003-0344（2015）04-074-3

2014-5-28

梁鹂（1971～），女，本科，高工；太原市新建南路南沙河南沿岸太原市热力设计有限公司（030012）；E-mail:liangli7157@163.com