直埋供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)及施工探討

1、<p>　　直埋供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)及施工探討</p><p>　　摘要：通過(guò)對(duì)影響管道溫度應(yīng)力的因素分析可以知道，在滿足冷安裝的條件下應(yīng)該積極的采用冷安裝方式，但是從管道運(yùn)行安全的角度考慮，對(duì)于大管徑、大溫差的管道應(yīng)該采用預(yù)熱的方式及有補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行敷設(shè)。本文結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)直埋管道質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了分析，對(duì)不同直埋管道敷設(shè)方式進(jìn)行了探討，以期為相關(guān)人員提供借鑒。 </p><p>

2、　　關(guān)鍵詞：直埋 供熱 管網(wǎng) 設(shè)計(jì) 施工 </p><p>　　中圖分類號(hào)：S611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </p><p><b>　　正文： </b></p><p>　　供熱管道直埋技術(shù)就是將預(yù)制的保溫管道直接埋入地下，利用管道自身的機(jī)械強(qiáng)度及其附件來(lái)共同承受管道供熱時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力的一項(xiàng)技術(shù)。 經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐與發(fā)展，為滿足供熱系統(tǒng)運(yùn)

3、行的安全可靠，同時(shí)盡量減少投資和維護(hù)方便，目前供熱管道存在多種的敷設(shè)方式。 </p><p>　　供熱管道直埋敷設(shè)方法在工程中的使用已有幾十年的歷史了。供熱管道直埋敷設(shè)技術(shù)的發(fā)展是隨著直埋管道的保溫材料的發(fā)展而發(fā)展的。早期直埋管道的保溫基本上采用填充式及澆灌式兩種方法, 填充式保溫材料一般采用泥煤，但泥煤具有導(dǎo)熱系數(shù)大, 易自然及保溫性能逐漸降低的缺點(diǎn)。澆灌式保溫材料采用泡沫混凝土，而泡沫混凝土又存在著吸水率大的

4、特點(diǎn)。保溫性能極易遭到地下水及地表水滲透的破壞, 所以這兩種方式很少在工程中應(yīng)用。 </p><p>　　由于直埋敷設(shè)相對(duì)于管溝敷設(shè)在施工安裝及運(yùn)行管理上的優(yōu)勢(shì)十分明顯,因此很多設(shè)計(jì)單位根據(jù)業(yè)主的要求嘗試突破《規(guī)程》的限制,對(duì)公稱直徑大于500 mm的直埋熱水供熱管道(以下簡(jiǎn)稱大管徑管道)也采用直埋敷設(shè)方式。最初,只是少數(shù)設(shè)計(jì)單位進(jìn)行有補(bǔ)償方式的設(shè)計(jì),隨著設(shè)計(jì)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累,很多設(shè)計(jì)單位又進(jìn)一步嘗試無(wú)補(bǔ)償預(yù)熱甚

5、至冷安裝的直埋設(shè)計(jì)。據(jù)了解,大多數(shù)設(shè)計(jì)單位在大管徑管道直埋設(shè)計(jì)時(shí)套用《規(guī)程》提供的計(jì)算方法,但《規(guī)程》提供的計(jì)算方法只適用小管徑管道,對(duì)于大管徑管道依然執(zhí)行《規(guī)程》是否可行,在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意哪些問(wèn)題還值得探討。 </p><p>　　1 直埋熱水供熱管道應(yīng)力設(shè)計(jì)方法 </p><p>　　直埋熱水供熱管道應(yīng)力驗(yàn)算的失效準(zhǔn)則,已由最初的彈性分析、極限分析發(fā)展到應(yīng)力分類分析。這一點(diǎn)在SDGJ6-

6、90《火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)定》中有明確的界定,而《規(guī)程》與《區(qū)域供熱手冊(cè)》[1](以下簡(jiǎn)稱《手冊(cè)》)也都應(yīng)用應(yīng)力分類法進(jìn)行直埋熱水供熱管道的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度驗(yàn)算。 </p><p>　　應(yīng)力分類法的主要特點(diǎn)是將管道上的應(yīng)力分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力,并采用相應(yīng)的應(yīng)力驗(yàn)算條件。管道內(nèi)壓和持續(xù)外載作用產(chǎn)生的應(yīng)力屬于一次應(yīng)力,它取決于靜力平衡條件。如果一次應(yīng)力超過(guò)了極限狀態(tài),管道就會(huì)產(chǎn)生無(wú)限塑性流動(dòng),導(dǎo)致爆

7、裂或斷裂,故一次應(yīng)力采用彈性分析或極限分析。管道由于位移產(chǎn)生的應(yīng)力屬于二次應(yīng)力,這是由于管道熱脹冷縮等變形受約束而產(chǎn)生的應(yīng)力,當(dāng)部分材料超過(guò)屈服極限時(shí),由于產(chǎn)生少量的塑性變形,變形協(xié)調(diào)得到滿足,變形不再繼續(xù)發(fā)展,它具有變形自限的特點(diǎn),采用安定性分析進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算,其允許的最大彈性應(yīng)力變化范圍是屈服極限的2倍。在管道局部不連續(xù)處產(chǎn)生的應(yīng)力集中稱為峰值應(yīng)力,它不會(huì)引起管道的顯著變形,但循環(huán)變化的峰值應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致管道的局部疲勞破壞。峰值應(yīng)力的驗(yàn)算

8、主要針對(duì)三通、彎頭等局部應(yīng)力集中處,根據(jù)供熱管道整個(gè)使用期所受循環(huán)荷載進(jìn)行疲勞分析,并計(jì)入應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算。 </p><p>　　2.直埋管道質(zhì)量問(wèn)題分析 </p><p>　　2.1整體失穩(wěn)。直埋管道在運(yùn)行工況下的軸向壓力最大，由于壓桿效應(yīng)，可能會(huì)引起管線的整體失穩(wěn)。特別是對(duì)于溫升較大的無(wú)補(bǔ)償冷安裝方式，溫升作用完全轉(zhuǎn)化為很高的軸向壓力，極易出現(xiàn)整體失穩(wěn)破壞。對(duì)此，CJJ/T104

9、-2003《城鎮(zhèn)直埋供熱管道技術(shù)規(guī)程》中有詳細(xì)的公式計(jì)算，滿足其計(jì)算就可保證 DN300 以下的管道整體不出現(xiàn)失穩(wěn)情況。 </p><p>　　2.2高循環(huán)疲勞破壞。車輛重量通過(guò)車輪和土壤，可作用在車行道下的管道上，使管道局部截面產(chǎn)生橢圓變形，相應(yīng)的會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。 </p><p>　　2.3循環(huán)塑性變形。在加熱過(guò)程中，管壁因軸向壓應(yīng)力而產(chǎn)生軸向壓縮塑性變形；而冷卻時(shí)，管壁因軸向拉應(yīng)力而

10、產(chǎn)生軸向拉伸塑性變形；當(dāng)溫差超過(guò)一定范圍后，將會(huì)出現(xiàn)管道破壞的現(xiàn)象。 </p><p>　　2.4低循環(huán)疲勞破壞。應(yīng)力集中通常發(fā)生在管線中的彎頭、三通、大小頭及折角處。在溫度變化過(guò)程中，應(yīng)力集中在管道結(jié)構(gòu)不連續(xù)處產(chǎn)生的峰值應(yīng)力，會(huì)引起管道的疲勞破壞。 </p><p>　　3.直埋管道敷設(shè)方式的探討與選擇 </p><p>　　以熱源供水溫度為 130 ℃，回水溫度

11、為 70 ℃；安裝的環(huán)境溫度為 10 ℃，管道規(guī)格為 Φ1020×10為例，探討比較典型管道的幾種敷設(shè)設(shè)計(jì)方式。 </p><p>　　3.1無(wú)補(bǔ)償冷安裝方式 </p><p>　　由于土壤摩擦力的存在，管道將存在錨固段、滑動(dòng)段。當(dāng)管道處于錨固段時(shí)，熱脹應(yīng)力全部轉(zhuǎn)化為溫度應(yīng)力，使管道在運(yùn)行工況下承受較高的軸向壓力。所以錨固段管道的最大壓應(yīng)力與最大溫度變化成正比；當(dāng)管道處于滑動(dòng)段時(shí)

12、，熱脹應(yīng)力不能全部轉(zhuǎn)化為溫度應(yīng)力，管道將受熱伸長(zhǎng)。管道在無(wú)補(bǔ)償冷安裝方式下，其受力及管道伸長(zhǎng)情況示意見圖 1。 </p><p>　　計(jì)算實(shí)例中管道錨固段軸向熱應(yīng)力為 </p><p>　　Σ=Δt×E×α=（130-10）×200 000×0.000 012 2=292.8 MPa （1） </p><p>　　管道局部屈服

13、的軸向臨界應(yīng)力： </p><p>　　Σer=0.062 5×E×δn/Rm=245 MPa （2） </p><p>　　式中：σ 為軸向熱應(yīng)力，MPa；σer為管道局部屈服的軸向臨界應(yīng)力，MPa；Δt 為管道運(yùn)行的最高溫度（t1）與安裝溫度之差 （t0），℃ ；E 為鋼管的彈性模量 ，MPa；α 為鋼材的線膨脹系數(shù)，m/m.c；δn為鋼管實(shí)際壁厚，mm；Rm為圓筒

14、的平均半徑，mm。 </p><p>　　由計(jì)算得，管道的軸向熱應(yīng)力小于 3 倍許用應(yīng)力值， 但是大于管道的局部屈服軸向臨界應(yīng)力，所以不能滿足局部屈服的條件。因此無(wú)補(bǔ)償冷安裝方式由于管壁局部屈服的危險(xiǎn)限定了冷安裝的溫度上限，只有在低于一定溫度條件下采用冷安裝才是安全的。 </p><p>　　由（1）、（2）計(jì)算公式推導(dǎo)出： </p><p>　　t1=σ/（E&#

15、215;α）+t0=σer/（E×α）+t0＝110 ℃ </p><p>　　由此可知在此條件下管道的最高運(yùn)行溫度為110 ℃。 </p><p>　　同時(shí)為滿足管道局部不失穩(wěn)的情況下需校核管道的壁厚 </p><p>　　σer＝0.062 5×E×δn/Rm所以 Rm＜40.1 δn即 δn＞12.7 mm </p>

16、<p>　　得出無(wú)補(bǔ)償冷安裝對(duì)于大管徑的管道壁厚要求比較高。 </p><p>　　3.2 敞溝預(yù)熱安裝方式 </p><p>　　預(yù)熱是管道平均應(yīng)力為零時(shí)的溫度，這個(gè)溫度稱為循環(huán)中間溫度，以 Tm表示。 </p><p>　　Tm＝0.5×（t1+t2） </p><p>　　式中：t1為管道運(yùn)行的設(shè)計(jì)供水溫度，℃；t

17、2為管道運(yùn)行的設(shè)計(jì)回水溫度，℃；Tm為循環(huán)中間溫度,℃。 </p><p>　　預(yù)熱管道的位移量θ=α×（Tm-ti）×Lpr式中：ti為預(yù)熱管道的環(huán)境溫度，℃；Tm為預(yù)熱溫度，℃；Lpr為預(yù)熱管道長(zhǎng)度，m。 </p><p>　　由于管道預(yù)先有了預(yù)應(yīng)力，使管道的最大熱位移小于冷安裝的首次熱位移。 </p><p>　　通過(guò)計(jì)算預(yù)熱安裝的錨固段的

18、管道最大壓應(yīng)力與最大溫度變化之半成正比： </p><p>　　Σ=0.5×Δt×E×α=60×200 000×0.000 012 2=146.4 MPa </p><p>　　由此可見預(yù)熱安裝的最大壓應(yīng)力為冷安裝最大壓應(yīng)力的一半，管壁的局部屈服的危險(xiǎn)性降低了，這樣就有利于大口徑管道的安裝。但是與無(wú)補(bǔ)償冷安裝相同，其管道的最大壓應(yīng)力與最大的

19、溫度變化有關(guān)，所以也存在一個(gè)運(yùn)行的最高溫度值。預(yù)熱安裝管道受力及管道伸長(zhǎng)情況示意見圖 2。 </p><p>　　由（1）、（2） 計(jì)算公式能推導(dǎo)出： </p><p>　　t1=σ/（E×α）+t0 </p><p>　　假定安裝的環(huán)境溫度為 10 ℃，σ 取極限值，即3 倍許用應(yīng)力值，許用應(yīng)力按照 125 MPa 計(jì)算。 則供熱管道的最高工作溫度為 1

20、43.6 ℃；而此時(shí)管道的最大壓應(yīng)力為σ＝0.5×Δt×E×α=71.5×200 000×0.000 012 2=174.5 MPa </p><p>　　所以敞溝預(yù)熱方式對(duì)大管徑或小管徑的供熱管道普遍適用。同時(shí)為滿足管道局部不失穩(wěn)的情況下需校合管道的壁厚： </p><p>　　σ＝0.062 5×E×δ/Rm <

21、;/p><p>　　所以 Rm＜71δ，即 δ＞0.007 18 m得出，預(yù)熱安裝時(shí)管道的壁厚也比冷安裝的要 </p><p><b>　　求較低。 </b></p><p>　　4. 對(duì)大口徑管道保溫中玻璃鋼外護(hù)層的優(yōu)勢(shì) </p><p>　　對(duì)管道保溫成型，玻璃鋼外護(hù)和聚乙烯外護(hù)同屬兩步法，但兩者工藝不同。前者是先在工作

22、鋼管外表面扣摸發(fā)泡，然后再在泡沫保溫層的外表面纏繞玻璃鋼外護(hù)層。后者則是先制作聚乙烯套管，再把它套到工作鋼管外，在形成的環(huán)形間澆注泡沫保溫層。 </p><p>　　由于工藝不同，玻璃鋼外護(hù)除了可以避免聚乙烯在制作套管和“管中管”發(fā)泡中出現(xiàn)的弊病外，而且具有下列優(yōu)勢(shì)：①玻璃鋼外護(hù)與聚氨酯同屬于極性材料，有良好的粘結(jié)性能，可以實(shí)現(xiàn)工作管—保溫層—外護(hù)層三位一體。據(jù)北京鼎超公司委托北京質(zhì)檢單位對(duì)Φ1020玻璃鋼外護(hù)層

23、聚氨酯泡沫塑料保溫管剪切強(qiáng)度的實(shí)際測(cè)試，其軸向剪切強(qiáng)度高于CJ/T114和CJ/T129兩標(biāo)準(zhǔn)的要求(0.12Mpa)。②玻璃鋼外護(hù)保溫管可分段扣摸發(fā)泡，不僅泡沫密度均勻，而且避免了注泡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響泡沫塑料的性能。③可以不加或少加支承環(huán)或支承塊，減少或避免了冷橋?qū)ν庾o(hù)層壽命的影響。而且玻璃鋼的耐溫性高于高密度聚乙烯,偶遇冷橋，也不會(huì)影響玻璃鋼的性能和壽命。④玻璃鋼外護(hù)屬開放式作業(yè)，便于對(duì)各工序做質(zhì)量檢查。例如“管中管”的發(fā)泡是否泡滿，

24、有否孔洞，很難檢查。而玻璃鋼外護(hù)系扣摸發(fā)泡，拆摸后一目了然。 </p><p>　　關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)保溫補(bǔ)口問(wèn)題，以前人們對(duì)玻璃鋼的可靠性比較擔(dān)心。通過(guò)近幾年的攻關(guān)，技術(shù)有了發(fā)展，并已在高地下水位地區(qū)的大口徑120℃高溫水保溫管工程應(yīng)用考驗(yàn)，證明是成功的。 </p><p>　　高密度聚乙烯外護(hù)對(duì)大口徑管道的現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)口質(zhì)量問(wèn)題，到是成了問(wèn)題。熱熔接聚乙烯補(bǔ)口對(duì)中小口徑管道效果較好，但對(duì)大口徑管道，由

25、于聚乙套袖壁厚、發(fā)硬，如遇稍有變形，熔接時(shí)，很難使套袖與母管聚乙烯兩張皮緊貼粘牢。 </p><p><b>　　5.結(jié)語(yǔ) </b></p><p>　　隨著我國(guó)工業(yè)化的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，集中供熱成為供熱行業(yè)的主流，城市供熱面積的擴(kuò)大，供熱管網(wǎng)直埋敷設(shè)的長(zhǎng)度、管徑也隨之增大，管網(wǎng)投資占總投資的比重相應(yīng)增大。 因此直埋管道的敷設(shè)方式將直接影響供熱投資和管網(wǎng)的運(yùn)行安

26、全經(jīng)濟(jì)，成為供熱行業(yè)的重要課題。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　?。?］ 許勤勤.熱力管道無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)的設(shè)計(jì) ［J］. 醫(yī)藥工程設(shè)計(jì),1998（》）. </p><p>　　［2］ 湯蕙芬，范季賢．熱能工程設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］． </p><p>　?。?］ 陳學(xué)營(yíng).大口徑高溫水直埋管道