直埋供熱管網(wǎng)設計及施工探討

1、<p>　　直埋供熱管網(wǎng)設計及施工探討</p><p>　　摘要：通過對影響管道溫度應力的因素分析可以知道，在滿足冷安裝的條件下應該積極的采用冷安裝方式，但是從管道運行安全的角度考慮，對于大管徑、大溫差的管道應該采用預熱的方式及有補償?shù)姆绞竭M行敷設。本文結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗對直埋管道質(zhì)量問題進行了分析，對不同直埋管道敷設方式進行了探討，以期為相關人員提供借鑒。 </p><p>

2、　　關鍵詞：直埋 供熱 管網(wǎng) 設計 施工 </p><p>　　中圖分類號：S611 文獻標識碼：A 文章編號： </p><p><b>　　正文： </b></p><p>　　供熱管道直埋技術就是將預制的保溫管道直接埋入地下，利用管道自身的機械強度及其附件來共同承受管道供熱時產(chǎn)生的熱應力的一項技術。 經(jīng)過多年的實踐與發(fā)展，為滿足供熱系統(tǒng)運

3、行的安全可靠，同時盡量減少投資和維護方便，目前供熱管道存在多種的敷設方式。 </p><p>　　供熱管道直埋敷設方法在工程中的使用已有幾十年的歷史了。供熱管道直埋敷設技術的發(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，但泥煤具有導熱系數(shù)大, 易自然及保溫性能逐漸降低的缺點。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。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用。 </p><p>　　由于直埋敷設相對于管溝敷設在施工安裝及運行管理上的優(yōu)勢十分明顯,因此很多設計單位根據(jù)業(yè)主的要求嘗試突破《規(guī)程》的限制,對公稱直徑大于500 mm的直埋熱水供熱管道(以下簡稱大管徑管道)也采用直埋敷設方式。最初,只是少數(shù)設計單位進行有補償方式的設計,隨著設計及實踐經(jīng)驗的積累,很多設計單位又進一步嘗試無補償預熱甚

5、至冷安裝的直埋設計。據(jù)了解,大多數(shù)設計單位在大管徑管道直埋設計時套用《規(guī)程》提供的計算方法,但《規(guī)程》提供的計算方法只適用小管徑管道,對于大管徑管道依然執(zhí)行《規(guī)程》是否可行,在設計中應注意哪些問題還值得探討。 </p><p>　　1 直埋熱水供熱管道應力設計方法 </p><p>　　直埋熱水供熱管道應力驗算的失效準則,已由最初的彈性分析、極限分析發(fā)展到應力分類分析。這一點在SDGJ6-

6、90《火力發(fā)電廠汽水管道應力計算技術規(guī)定》中有明確的界定,而《規(guī)程》與《區(qū)域供熱手冊》[1](以下簡稱《手冊》)也都應用應力分類法進行直埋熱水供熱管道的設計和強度驗算。 </p><p>　　應力分類法的主要特點是將管道上的應力分為一次應力、二次應力和峰值應力,并采用相應的應力驗算條件。管道內(nèi)壓和持續(xù)外載作用產(chǎn)生的應力屬于一次應力,它取決于靜力平衡條件。如果一次應力超過了極限狀態(tài),管道就會產(chǎn)生無限塑性流動,導致爆

7、裂或斷裂,故一次應力采用彈性分析或極限分析。管道由于位移產(chǎn)生的應力屬于二次應力,這是由于管道熱脹冷縮等變形受約束而產(chǎn)生的應力,當部分材料超過屈服極限時,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,采用安定性分析進行應力驗算,其允許的最大彈性應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)生的應力集中稱為峰值應力,它不會引起管道的顯著變形,但循環(huán)變化的峰值應力會導致管道的局部疲勞破壞。峰值應力的驗算

8、主要針對三通、彎頭等局部應力集中處,根據(jù)供熱管道整個使用期所受循環(huán)荷載進行疲勞分析,并計入應力加強系數(shù)進行驗算。 </p><p>　　2.直埋管道質(zhì)量問題分析 </p><p>　　2.1整體失穩(wěn)。直埋管道在運行工況下的軸向壓力最大，由于壓桿效應，可能會引起管線的整體失穩(wěn)。特別是對于溫升較大的無補償冷安裝方式，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。對此，CJJ/T104

9、-2003《城鎮(zhèn)直埋供熱管道技術規(guī)程》中有詳細的公式計算，滿足其計算就可保證 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，相應的會產(chǎn)生應力集中。 </p><p>　　2.3循環(huán)塑性變形。在加熱過程中，管壁因軸向壓應力而產(chǎn)生軸向壓縮塑性變形；而冷卻時，管壁因軸向拉應力而

10、產(chǎn)生軸向拉伸塑性變形；當溫差超過一定范圍后，將會出現(xiàn)管道破壞的現(xiàn)象。 </p><p>　　2.4低循環(huán)疲勞破壞。應力集中通常發(fā)生在管線中的彎頭、三通、大小頭及折角處。在溫度變化過程中，應力集中在管道結(jié)構不連續(xù)處產(chǎn)生的峰值應力，會引起管道的疲勞破壞。 </p><p>　　3.直埋管道敷設方式的探討與選擇 </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設計方式。 </p><p>　　3.1無補償冷安裝方式 </p><p>　　由于土壤摩擦力的存在，管道將存在錨固段、滑動段。當管道處于錨固段時，熱脹應力全部轉(zhuǎn)化為溫度應力，使管道在運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力與最大溫度變化成正比；當管道處于滑動段時

12、，熱脹應力不能全部轉(zhuǎn)化為溫度應力，管道將受熱伸長。管道在無補償冷安裝方式下，其受力及管道伸長情況示意見圖 1。 </p><p>　　計算實例中管道錨固段軸向熱應力為 </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、的軸向臨界應力： </p><p>　　Σer=0.062 5×E×δn/Rm=245 MPa （2） </p><p>　　式中：σ 為軸向熱應力，MPa；σer為管道局部屈服的軸向臨界應力，MPa；Δt 為管道運行的最高溫度（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為鋼管實際壁厚，mm；Rm為圓筒

14、的平均半徑，mm。 </p><p>　　由計算得，管道的軸向熱應力小于 3 倍許用應力值， 但是大于管道的局部屈服軸向臨界應力，所以不能滿足局部屈服的條件。因此無補償冷安裝方式由于管壁局部屈服的危險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）計算公式推導出： </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行溫度為110 ℃。 </p><p>　　同時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>　　得出無補償冷安裝對于大管徑的管道壁厚要求比較高。 </p><p>　　3.2 敞溝預熱安裝方式 </p><p>　　預熱是管道平均應力為零時的溫度，這個溫度稱為循環(huán)中間溫度，以 Tm表示。 </p><p>　　Tm＝0.5×（t1+t2） </p><p>　　式中：t1為管道運行的設計供水溫度，℃；t

17、2為管道運行的設計回水溫度，℃；Tm為循環(huán)中間溫度,℃。 </p><p>　　預熱管道的位移量θ=α×（Tm-ti）×Lpr式中：ti為預熱管道的環(huán)境溫度，℃；Tm為預熱溫度，℃；Lpr為預熱管道長度，m。 </p><p>　　由于管道預先有了預應力，使管道的最大熱位移小于冷安裝的首次熱位移。 </p><p>　　通過計算預熱安裝的錨固段的

18、管道最大壓應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>　　由此可見預熱安裝的最大壓應力為冷安裝最大壓應力的一半，管壁的局部屈服的危險性降低了，這樣就有利于大口徑管道的安裝。但是與無補償冷安裝相同，其管道的最大壓應力與最大的

19、溫度變化有關，所以也存在一個運行的最高溫度值。預熱安裝管道受力及管道伸長情況示意見圖 2。 </p><p>　　由（1）、（2） 計算公式能推導出： </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 倍許用應力值，許用應力按照 125 MPa 計算。 則供熱管道的最高工作溫度為 1

20、43.6 ℃；而此時管道的最大壓應力為σ＝0.5×Δt×E×α=71.5×200 000×0.000 012 2=174.5 MPa </p><p>　　所以敞溝預熱方式對大管徑或小管徑的供熱管道普遍適用。同時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，預熱安裝時管道的壁厚也比冷安裝的要 </p><p><b>　　求較低。 </b></p><p>　　4. 對大口徑管道保溫中玻璃鋼外護層的優(yōu)勢 </p><p>　　對管道保溫成型，玻璃鋼外護和聚乙烯外護同屬兩步法，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：①玻璃鋼外護與聚氨酯同屬于極性材料，有良好的粘結(jié)性能，可以實現(xiàn)工作管—保溫層—外護層三位一體。據(jù)北京鼎超公司委托北京質(zhì)檢單位對Φ1020玻璃鋼外護層

23、聚氨酯泡沫塑料保溫管剪切強度的實際測試，其軸向剪切強度高于CJ/T114和CJ/T129兩標準的要求(0.12Mpa)。②玻璃鋼外護保溫管可分段扣摸發(fā)泡，不僅泡沫密度均勻，而且避免了注泡時間過長，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，也不會影響玻璃鋼的性能和壽命。④玻璃鋼外護屬開放式作業(yè)，便于對各工序做質(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。而玻璃鋼外護系扣摸發(fā)泡，拆摸后一目了然。 </p><p>　　關于現(xiàn)場保溫補口問題，以前人們對玻璃鋼的可靠性比較擔心。通過近幾年的攻關，技術有了發(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用考驗，證明是成功的。 </p><p>　　高密度聚乙烯外護對大口徑管道的現(xiàn)場補口質(zhì)量問題，到是成了問題。熱熔接聚乙烯補口對中小口徑管道效果較好，但對大口徑管道，由

25、于聚乙套袖壁厚、發(fā)硬，如遇稍有變形，熔接時，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 </b></p><p>　　隨著我國工業(yè)化的發(fā)展和城市化進程的加快，集中供熱成為供熱行業(yè)的主流，城市供熱面積的擴大，供熱管網(wǎng)直埋敷設的長度、管徑也隨之增大，管網(wǎng)投資占總投資的比重相應增大。 因此直埋管道的敷設方式將直接影響供熱投資和管網(wǎng)的運行安

26、全經(jīng)濟，成為供熱行業(yè)的重要課題。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　?。?］ 許勤勤.熱力管道無補償直埋敷設的設計 ［J］. 醫(yī)藥工程設計,1998（》）. </p><p>　?。?］ 湯蕙芬，范季賢．熱能工程設計手冊［M］． </p><p>　?。?］ 陳學營.大口徑高溫水直埋管道