北京华通利达保温管有限公司

城市基础设施是城市正常运行和健康发展的物质基础。随着城市化建设进程加速、人民生活水平日益提高，城市集中inktype="text" imgurl="" tab="outerlink" data-linktype="2" style="font-family: system-ui, -apple-system, BlinkMacSystemFont, "Helvetica Neue", "PingFang SC", "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei UI", "Microsoft YaHei", Arial, sans-serif; font-size: 17px; letter-spacing: 0.544px; text-align: justify; margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; cursor: pointer; color: rgb(0, 82, 255); -webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0); max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">供热管道长度也逐年增加。住房和城乡建设部资料显示，2018年全国城市集中供热管道敷设长度已达到371 120 km，集中供热面积约87.805×10⁸ m²。作为城市重要基础设施，集中供热系统为减轻城市环境污染和降低资源消耗、满足居民对生活品质的需求以及可持续发展作出了重要贡献。

与其他城市基础设施相比，城市集中供热系统建设起步晚，前期发展慢。1974年，北京市煤气热力工程设计院（现北京市煤气热力工程设计院有限公司）联合中国石油大学（北京）等单位在国内首次开展了供热管道直埋敷设试验研究，对DN 500 mm及以下管道无补偿冷安装直埋敷设的计算方法和设计参数进行了理论分析与验证，为制定城镇inktype="text" imgurl="" tab="outerlink" data-linktype="2" style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; cursor: pointer; color: rgb(0, 82, 255); -webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0); max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">供热管道工程技术标准奠定了基础，研究成果成为CJJ/T 81—98《城镇直埋供热管道工程技术规程》的重要依据。

近年来，无补偿冷安装敷设方法凭借占地少、施工期短、节约工程投资等优势^［1-3］，在公称直径大于500 mm的直埋inktype="text" imgurl="" tab="outerlink" data-linktype="2" style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; cursor: pointer; color: rgb(0, 82, 255); -webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0); max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">供热管道工程建设中广泛应用。一些城市的供热管网主干线已增大到DN 1 600 mm，设计压力达到2.5 MPa，设计温度高达130 ℃^［4-6］。大管径直埋热水管道由于长期受到波动性高温、高压荷载作用，容易发生结构失效，引发热水管道泄漏，给人民群众的生命、财产安全造成严重威胁。

本文综述直埋热水管道强度设计理论及研究进展，总结分析直埋热水管道热屈曲、大管径直埋热水管道失效准则、时变温压荷载（时变性温度、压力荷载）作用下大管径直埋热水管道疲劳寿命等方面的研究成果与不足，对开展直埋热水管道强度设计理论研究的必要性和发展方向进行阐述与展望。

文中，热屈曲指在热荷载作用下发生的屈曲，与弯曲屈曲、扭转屈曲等相对应，是从荷载不同出发提出的。弹塑性屈曲指考虑材料非线性性质发生的屈曲，与弹性屈曲、线性屈曲等相对应，考虑了材料性质不同。

2   国内外研究进展

2.1  内容1

直埋热水管道热屈曲。目前，我国主要依据CJJ/T 81—2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》进行直埋热水管道的抗屈曲设计，理论计算模型与欧洲标准EN 13941《集中供热管道-直埋热水管网中单管与双管系统的设计与安装》一致，主要基于弹性薄壳结构局部屈曲理论并设置相关安全系数，适用于公称直径小于等于1 200 mm的直埋热水管道。而公称直径大于1 200 mm的直埋热水管道在130 ℃高温服役状态下，管材本质处于弹塑性状态，使得CJJ/T 81—2013理论计算模型的适用性有待进行进一步研究。

由于现实需求的迫切性，供热行业近年来开始关注大管径直埋热水管道的屈曲行为，部分学者也开展了相关研究。查志旭^［7］、Cheong等人^［8］提出了基于Budiansky-Roth准则的直埋热水管道屈曲行为分析方法，实现了DN 400 mm直埋热水管道临界屈曲状态识别，分析了管子初始弯曲度、管子截面椭圆度、埋深等因素对管道屈曲行为的影响。分析对象主要针对小管径直埋热水管道，无法应用于大管径直埋热水管道先屈服后屈曲这种塑性强化初始状态下的非线性屈曲行为分析中。

与直埋热水管道相比，油气管道热屈曲的研究更加深入。在海底油气管道方面，大量学者^［9-12］研究了海底输油管道的非线性热屈曲行为，分析了初始缺陷、浮力块长度、埋深、介质温差等因素对海底输油管道侧向屈曲的影响，给出了海底输油管道安全运行的许可温差。在埋地油气管道方面，国内外学者^［13-19］致力于建立更真实的有限元模型，准确描述地面位移作用下油气管道的非线性热屈曲特征，分析了荷载、土壤参数、管材特性等对管道非线性热屈曲行为的影响，定量得到了管道弹塑性状态对非线性热屈曲响应的影响。刘啸奔等人基于有限元模型分别分析了管道（X80钢材）梁式整体屈曲、壳式局部屈曲失效行为的特征，给出了修正后的屈曲临界荷载计算式^［20-21］。

可以发现，海底油气管道热屈曲的研究主要分析管道的梁式屈曲行为，缺乏针对局部屈曲特性的研究。埋地油气管道热屈曲的研究，虽然明确了非线性热屈曲的规律，但未考虑高温热荷载的二次应力自限性。这两方面的研究均未考虑时变温压荷载对管道热屈曲行为的影响，因此无法用于时变温压荷载与管土相互作用下大管径直埋热水管道的弹塑性屈曲行为的分析。

2.2  内容2

大管径直埋热水管道失效准则。现阶段，国内外针对直埋热水管道的设计主要采用应力失效准则，即令管道在各种荷载作用下产生的等效应力小于相应的许用应力。部分学者针对直埋热水管道的应力失效准则开展了相关研究。孙金鹏^［22］、王欣^［23］基于强度理论、弹性稳定理论，研究了不同压力等级、壁厚、公称直径的直埋热水管道的局部稳定控制循环温差、最大允许循环温差，分析了高轴向力状态下管道的变形破坏和局部屈曲失效。由于大管径直埋热水管道受到高温、高压荷载导致管道初始状态即为弹塑性状态，此时以材料弹性假设为基础的应力失效准则无法准确描述管道在运行条件下的真实状态。而现有的弹塑性屈曲分析主要侧重于规律分析，并没有形成可靠的评价管道真实弹塑性极限状态的指标。

相对于热水管道领域，油气管道领域对弹塑性极限状态已经有了较为成熟的研究，主要采用基于应变准则对管道开展设计与评价。美国可靠能源系统中心（CRES）、加拿大标准协会（CSA）等机构基于全尺寸试验、数值仿真结果，提出了油气管道极限压缩应变准则。大量学者针对油气管道的轴向临界屈曲应变开展了相应研究，基于数值仿真模型分析了土壤类型、管材特性、荷载条件等多种因素对管道应变响应与屈曲失效行为的影响^［24-26］。刘啸奔等学者研究了走滑断层、正断层、逆断层作用下管道设计应变的主要影响因素，给出了针对高钢级管道设计应变的半经验预测公式^{［21，27-32］}。值得强调的是，由于热应力的二次应力特征，温度荷载作用下直埋热水管道轴向应变响应与位移边界作用下油气管道屈曲过程的轴向应变响应存在本质区别。因此，油气管道中采用的基于轴向临界屈曲应变的应力失效准则，无法直接用于大管径直埋热水管道。

管道截面椭圆度变形准则是基于应变设计的另一个评判指标，加拿大标准CSA Z662《油气管道系统》规定椭圆度不能超过3%。殷鹰等人^［33］、Wu等人^［34］建立数值仿真模型，研究了地质沉降以及第三方挖掘影响下埋地燃气管道的应变及截面椭圆度变化情况，分析了荷载条件、土壤类型等对管道截面椭圆度的影响。而在大管径直埋热水管道的后屈曲阶段，由于管道热应力存在自限性，管道截面椭圆化过程中热应力随局部变形而产生动态释放。因此，与油气管道相比，大管径直埋热水管道的屈曲演化行为更加复杂。

2.3  内容3

时变温压荷载作用下大管径直埋热水管道疲劳寿命。供热管网的服役期长，由于难以实时监测埋地管道力学状态变化，对管道自身的剩余寿命进行预判，因此从管道疲劳损伤角度开展管道失效行为的预测研究至关重要。在现有直埋热水管道疲劳寿命研究中，部分学者对管道温度监测数据的变化进行了研究。Chang等人^［35］、Park等人^［36］研究了直埋热水管道温度监测数据变化，分析了运行温度变化对直埋热水管道疲劳寿命的影响，发现温度变化不规则性越大，直埋热水管道疲劳寿命受到的影响越大。另一部分学者开展了管道疲劳寿命预测研究。康朝阳等人^［37］、冯继蓓等人^［38］结合标准规范对管道中温度发生异常变化的部位开展热力耦合分析，采用累积疲劳损伤计算式对管道进行了疲劳寿命评估。可以发现，目前大部分针对热水管道的研究均围绕较低服役温度下的低应力高周疲劳展开，而这种方法无法进行大管径高温管道弹塑性屈曲发生后的疲劳寿命预测。

，建立了输油管道疲劳寿命预测模型^［42-44］。由于热水管道热荷载存在不同时间尺度上的波动，应变易存在大时间尺度的大幅度变化与小时间尺度的微小波动特征，导致以上研究结果难以直接应用。因此，开展时变温压荷载作用下考虑管材疲劳损伤的大管径直埋热水管道全寿命完整性评价研究具有重要意义。

目前，时变温压荷载作用下考虑管材塑性累积疲劳损伤的大管径直埋热水管道热屈曲失效的研究存在以下不足。

①直埋热水管道已有成熟的抗屈曲设计方法依然基于材料弹性假设，分析方法偏保守，大管径直埋热水管道设计壁厚过大，进而导致造价高、经济性差，且无法用于大管径直埋热水管道的非线性屈曲行为分析。

②由于热应力的自限性特征，管土耦合边界下热水管道局部热屈曲机制尚未明确，缺少可靠的时变温压荷载与管土相互作用下大管径直埋热水管道屈曲失效分析模型与评价指标。

③对于时变温压荷载作用下大管径直埋热水管道后屈曲过程中应力应变演化规律与塑性损伤累积规律缺少定量解释。

④缺乏考虑高温条件、温度与压力多重波动性荷载作用下直埋热水管道的疲劳失效评价准则，也未形成保障管道全寿命周期安全服役的合理方法。

3   研究必要性与工作展望

3.1  研究必要性

我国唯一针对直埋热水管道的技术标准CJJ/T 81—2013适用于公称直径小于等于1 200 mm的热水管道，设计分析方法主要基于20世纪80年代弹性薄壳结构局部屈曲理论，未考虑管道弹塑性条件下的失效特征。目前，由于大管径热水管道的径厚比相对较大，在130 ℃高温荷载下有产生弹塑性屈曲失效的风险，而且运行温度、压力随季节性热荷载改变以及工艺热源启停、管道事故等产生波动性变化^［45］。因此，研究时变温压荷载作用下大管径直埋热水管道的失效机理，对为大管径直埋热水管道设计及敷设方式的更新提供指导、保障管道本质安全具有重要的现实意义。

时变温压荷载作用下管道处于环向与轴向双向交变的应力状态，高温服役条件下管材本质又处于弹塑性状态，其复杂性体现在以下几个方面。

①管道屈曲响应行为受到高温、高压荷载的双重作用，屈曲管段应力应变处于多轴非线性时变状态。材料非线性的变化导致管道局部刚度不断改变，增加了管道屈曲行为的复杂程度。

②埋地管道受到管周土壤的约束作用，使管道局部热屈曲发生，管道后屈曲形态受到土壤约束与热应力自限性耦合动态平衡的影响。

③城镇供热管网运行工况随多层次原因改变而形成时变温压荷载，交变热应力会使屈曲位置管体产生塑性累积疲劳损伤，使得管道破裂极限状态受其全寿命荷载特性的影响。

综上所述，研究时变温压荷载下大管径直埋热水管道失效机理，能够促进对直埋热水管道屈曲响应的科学认识，完善弹性薄壳结构相关理论，在此基础上揭示时变温压荷载作用下屈曲管道塑性累积疲劳损伤行为特征，明确大管径直埋热水管道热屈曲极限状态可靠的评价指标，弥补现有设计理论的不足，为大管径直埋热水管道的工程设计和全寿命周期安全评估提供理论依据。

3.2  工作展望

①通过建立数值仿真模型，分析时变温压荷载与管土相互作用对管道屈曲的协同作用机制，探明大管径直埋热水管道非线性屈曲规律，提出评价大管径直埋热水管道热屈曲极限状态的可靠评价指标，开展合理仿真工程实际工况的全尺寸大管径直埋热水管道热屈曲验证试验。

②确定直埋热水管道温压荷载的时变规律模型，考虑管材损伤累积，查明时变温压荷载作用下直埋热水管道后屈曲管段塑性损伤的演化规律和应变特征，揭示管材损伤过程中塑性变形的非线性时空分布特征及累积规律，准确分析时变温压荷载作用下直埋热水管道最终失效极限状态。

③建立基于塑性累积疲劳损伤的寿命预测模型。在管道非线性屈曲机理和塑性累积疲劳损伤研究的基础上，构建综合考虑管材疲劳失效极限的直埋热水管道疲劳失效评价准则。综合时变规律模型，预测温压荷载下管道剩余寿命，构建大管径直埋热水管道全寿命完整性评价方法。

通过开展以上研究，可为国内唯一供热直埋热水管道技术标准CJJ/T 81—2013的进一步修订提供理论依据，为大管径直埋热水管道安全服役提供更为合理的判定准则。研究成果更可为直埋热水管道无补偿冷安装敷设技术提供指导，为直埋热水管道完整性管理提供可靠的理论依据，提高直埋热水管道结构安全性及经济性。对促进我国城市供热系统发展、完善供热体系能力，具有重要的理论意义和工程价值