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摘要：本文从设计理论、设计原则与体系两个方面，对国内外直埋热水管道应力计算规范进行了对比，希望对完善我国的规范有所裨益。
关键词：直埋热水管道；应力分析；设计理论；设计原则和体系
1概述
我国集中供热发展迅速，供热规模巨大，取得了举世瞩目的成就，并先后编制了一系列的标准和规范。直埋热水管道设计规范也在CJJ/T81-1998《城镇直埋供热管道工程技术规程》的基础上于2013年成功编制第二版技术规程CJJ/T81-2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》（以下简称CJJ/T81）。
随着我国“一带一路”战略的实施，越来越多的公司走出国门承担国外项目的建造和设计，因此熟悉和了解国外直埋热水管道规范对国内公司承担国外管道的设计、施工显得非常必要。再者，随着供热行业的快速发展，我国直埋热水管道的管径也在不断增大，目前国内直埋热水管道最大管径为DN1600，已超过欧盟和俄罗斯，，而大管径对管道的安全性和寿命也都提出了更高的要求。因此参考和借鉴国外的设计规范，对完善我国的规范也是必要的。
目前，国内外直埋热水管道设计规范共有三个，分别是我国的CJJ/T81[1]规范，欧盟的EN13941：2009《区域供热预制直埋保温管道系统设计与安装》[2]（以下简称EN13941）规范以及俄罗斯的GOST55596-2013《区域供热管网应力和地震分析标准》[3]（以下简称GOST55596）规范。本文从设计理论、设计原则与体系两个方面，对国内外三部规范进行对比，分析了我国规范与国外规范的差异，期望能够对直埋热水管道设计提供有价值的参考和借鉴。
2适用范围与设计理论
2.1适用范围
我国的CJJ/T81规范适用于设计温度小于或等于150℃、设计压力小于或等于2.5MPa、管道公称直径小于或等于DN1200的直埋热水管道。
欧盟的EN13941规范适用于管道运行温度不超过120℃，并可偶尔在峰值温度140℃的条件下，管径≤DN1200，压力不大于2.5MPa的直埋热水管道。
相比于CJJ/T81以及欧盟的EN13941规范，俄罗斯的GOST55596规范的适用范围最广，规范对管径没有限制，涵盖了架空和直埋两种敷设方式，管材也包括了钢管和柔性塑料管两种材质。对于工作管是钢管的管道，规范规定设计压力不大于4.0MPa，设计温度不大于250℃；对于工作管是塑料管的管道，规范规定设计压力不大于1.0MPa，设计温度不大于95℃。本文只介绍俄罗斯规范中与直埋热水管道有关的内容。
2.2设计理论
我国的CJJ/T81规范与俄罗斯的GOST55596都采用的是应力分类法，将应力分为一次应力、二次应力和峰值应力，并进行相应的应力验算；欧洲标准EN13941采用极限荷载法，将力的作用划分为变形作用和力作用，通过控制六种极限状态保证管道的强度、稳定性和安全，实质上也是应力分类[4][5]。
3设计原则与体系
三个规范为了保证管道的安全和使用寿命，都是防止出现下列情况。
1、控制一次应力，防止出现无限制的塑性变形。由内压和持续外载产生的应力属于一次应力，是结构为了满足静力平衡条件而产生的力[1][6][7]，对直埋热水管道而言，一次应力就是重力和压力，在三个规范中对一次应力都是采用的弹性分析。
2、控制一次应力和二次应力的当量应力（欧盟规范称为力作用和位移作用的最不利组合），防止热水管道产生循环塑性变形。循环塑性变形可能发生在锚固段，为保证管道的强度安全，需防止锚固段出现循环塑性变形。
三个规范对锚固段应力验算思路和公式中有较大的差异，欧盟的EN13941是控制管道的径厚比，防止锚固段产生应力棘轮，俄罗斯的GOST55596规范是控制直管段热态和回冷态的应力不超过1.5倍的许用应力，我国的CJJ/T81是采用安定性分析，规定锚固段的当量应力变化范围不大于3倍的许用应力。
产生差异的原因是对锚固段的应力变化过程和破坏形式的认识不同所导致的。欧盟的EN13941认为锚固段的应力在热态下受压，在回冷态下压应力为零，锚固段是轴向压应力引起的整体失稳和局部失稳；我国的CJJ/T81规范认为锚固段的应力在热态下受压，在回冷态下受拉，因此用安定性原理防止锚固段出现循环塑性变形；俄罗斯的GOST55596规范表面上看与我国的规范将锚固段应力变化范围控制在3倍许用应力范围内相似，但实则不然，俄罗斯规范也是认为锚固段在热态下受压，在回冷态下应力为零，这一点在俄罗斯的规范没有对锚固段进行局部失稳验算可以看出，以及俄罗斯的规范将轴向应力控制在屈服强度下，因此整个管系都是柔性设计，管道的轴向应力不大，从根本上避免出现高轴向压应力导致的整体和局部失稳。在笔者看来，俄罗斯的规范控制锚固段冷态下应力不超过1.5倍许用应力，是考虑了管道预热安装后，锚固段在热态下处于受压，在冷态下处于受拉的情况。
3、控制峰值应力，防止发生低循环疲劳破坏。峰值应力发生在管道结构不连续的管件或者管壁的缺陷上，管道结构不连续的管件如变径、三通、弯头、以及折角处，管壁缺陷如管壁伤疤，电焊打火伤疤等。欧盟的EN13941规范采用的是疲劳曲线，根据管道的安全等级、管网的位置采用不同的疲劳安全系数，并将不同类别管道的最大当量循环次数控制在规范规定的范围内，防止发生疲劳破坏；我国的CJJ/T81规范是采用的是简化的疲劳分析，控制当量应力变化幅度不大于3倍许用应力，即当量应力变化范围不大于6倍的许用应力[8]；俄罗斯的GOST55596采用的是在安定性允许的疲劳强度（操作温度下的许用应力与安装温度下的许用应力之和的1.5倍）和疲劳曲线允许的疲劳强度（根据循环次数折算出许用应力）之间取较小值作为许用疲劳强度。
4、防止管道因承受高轴向压应力而可能导致的整体失稳和局部失稳。三个规范防止整体失稳的思路是一致的，都是用土壤的约束力防止管道发生整体失稳。但三个规范对局部失稳的控制是存在差异的，这与本小节提及的第二点有关系，是三个规范对锚固段的循环塑性变形的控制方法不同导致的。
为了防止管道发生局部失稳，欧盟的EN13941采取的方法是控制管道的径厚比，直管段如果满足径厚比要求，则不会发生局部失稳，也不会发生循环塑性变形；俄罗斯采取的方法是将锚固段的热态和回冷态的应力都控制在1.5倍许用应力内，从根本上遏制发生局部失稳的可能，因此俄罗斯规范对局部失稳没有在另外叙述；我国的规范，为防止发生局部失稳，参考欧盟的思路，控制管道的径厚比，再加上锚固段的当量应力变化范围小于3倍的许用应力，形成双保险，看似更安全、合适，但笔者认为实则存在一定的矛盾关系，如果锚固段用弹塑性分析法，认为锚固段在热态下受压、回冷态下受拉，则热态和回冷态的应力都不能超过屈服极限，与俄罗斯的方法相似，则整个管系需要采用柔性设计控制应力，不在需要进行局部稳定性验算。防止局部失稳验算方法不同的根本原因是我国规程对锚固段应力变化过程与欧洲和俄罗斯的认识不同所导致的。
5、防止管道在车辆等交通荷载作用下引起的径向失稳。在欧盟的EN13941规范中称为高循环疲劳破坏，俄罗斯的规范将车辆荷载划分在四大载荷之一的偶然荷载中，因而将其划分在了三大工况之一的偶然荷载破坏中。三个规范的控制思路和方法都是一致的，都是通过控制埋深，防止车轮和土壤的作用，使管道产生椭圆化变形。
4结束语
综上所述，我国CJJ/T81与俄罗斯和欧盟的规范相比，在设计理论上都采用的是应力分类法；在体系上也是基本一致的，都是防止管道发生无限制的塑性变形、防止发生循环塑性变形、防止产生低循环疲劳破坏、防止整体失稳、局部失稳以及径向失稳来保证管道的强度安全。但无可讳言，我国规范在细节处理和深度上与俄罗斯和欧盟的规范相比，仍然存在一定差距，有待进一步的完善，如锚固段的应力验算以及局部失稳验算等方面。
本文通过对比国内外三部直埋热水管道应力计算规范的差异，希望对完善我国CJJ81规范有所裨益，也希望本文能对供热设计人员理解直埋热水管道应力验算带来帮助。
参考文献：
[1]CJJ/T81-2013，城镇供热直埋热水管道技术规[S].
[2]EN13941-2009，Designandinstallationofpreinsulatedbondedpipesystemsfordistrictheating[S].
[3]GOST55596-2013，Districtheatingnetworksstandardforstressandseismicanalysis[S].
[4]皮特兰德劳夫区域供热手册[M].贺平，王钢，译.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1998．
[5]王钢，贺平.北欧直埋供热管道最新的强度设计计算原理和方法的介绍与剖析[J].区域供热，1997（06）：14-18.
[6]北京市煤气热力设计所等.热力管道直埋敷设试验研究，1980年.
[7]北京市煤气热力工程设计院热力管道无补偿直埋敷设设计与计算[M].北京：中国建筑工业出版社，1987年.
[8]王飞.直埋供热管道工程设计[M].第二版.北京：中国建筑工业出版社，2014.