于 蕾

(太原市熱力設(shè)計有限公司，山西 太原 030012)

在城鎮(zhèn)熱水熱力網(wǎng)管道敷設(shè)的時候，高溫?zé)崴甭窆艿烙捎诓徽加玫厣峡臻g、不需要在地下建地溝、造價低、防腐絕緣性能好、使用壽命長、占地少、施工周期短、減少施工擾民等優(yōu)點，從而具有顯著的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效益。所以，在熱水熱力網(wǎng)管道地下敷設(shè)時，直埋敷設(shè)方式在城市集中供熱中被廣泛采用。直埋敷設(shè)熱水管道應(yīng)采用鋼管、保溫層、保護(hù)外殼結(jié)合成一體的預(yù)制保溫管道。

在進(jìn)行城市熱力網(wǎng)直埋熱水管道設(shè)計的時候，需要根據(jù)其具有的特點而采取相應(yīng)的措施，需要注意以下幾個方面:由于土壤和保溫層外表面的摩擦力限制直埋敷設(shè)的供熱管道的自由伸縮，所以在直管段上，管道熱脹冷縮時無法克服土壤與管道之間的摩擦力，出現(xiàn)了“錨固段”，在錨固段的管線完全處于錨固狀態(tài)，管道的熱伸長應(yīng)變完全變?yōu)檩S向應(yīng)力留存在管壁上，所以在進(jìn)行直埋熱水管道設(shè)計計算時，應(yīng)對錨固段的應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)驗算，管線上設(shè)置閥門的時候，避開在錨固段安裝閥門;直埋供熱管道彎曲部分敷設(shè)在土壤上面時，由于摩擦力約束作用的影響，當(dāng)管道熱伸長時，直埋管道僅使彎頭附近很短的直管引起側(cè)向位移，使熱變形集中在彎頭附近，使得彎頭受擠壓變形而出現(xiàn)顯著的側(cè)向位移和扁平變形，所以對彎頭部分要進(jìn)行應(yīng)力驗算，在設(shè)計中，通常將彎頭的管子壁厚增加2 mm，并且在彎頭處采用軟回填的方式減小土壤與管道之間的摩擦力，從而保證供熱管道運(yùn)行中的安全。在三通設(shè)計過程中，三通處應(yīng)力集中，受力較大，在設(shè)計中應(yīng)加大三通主管壁厚，提高三通的總體強(qiáng)度，在開孔處采取必要的加固措施從而減少三通開孔處的變形。

供熱管道在運(yùn)行中，鋼管的熱脹冷縮是不可避免的，所以不論是有補(bǔ)償安裝還是無補(bǔ)償安裝，都需要設(shè)置補(bǔ)償器來吸收管段的熱變形?？偨Y(jié)近幾十年的運(yùn)行經(jīng)驗，在供熱管網(wǎng)設(shè)計中，補(bǔ)償器同樣也是整個供熱管網(wǎng)中的薄弱環(huán)節(jié)，一旦補(bǔ)償器出現(xiàn)變形導(dǎo)致漏水，都會對管段甚至整個供熱管網(wǎng)造成影響。在設(shè)計中，應(yīng)盡量減少補(bǔ)償器的設(shè)置，盡力創(chuàng)造條件采用無補(bǔ)償敷設(shè)。無補(bǔ)償敷設(shè)即在長直管線上不專門設(shè)置補(bǔ)償器，只有自然形成的彎管補(bǔ)償器，或者自然形成的彎管補(bǔ)償器不能滿足要求時設(shè)置少量補(bǔ)償器進(jìn)行保護(hù)。

在設(shè)計中，采用無補(bǔ)償直埋敷設(shè)的方式。大大減少了補(bǔ)償器和固定墩的數(shù)量。但為了確保閥門、三通和彎頭在管道的熱脹冷縮中不會受到損壞，需要設(shè)置補(bǔ)償器和固定墩加以保護(hù)，充分利用土壤的摩擦力來減少固定墩和補(bǔ)償器的數(shù)量。在供熱管網(wǎng)運(yùn)行過程中，地下水滲漏進(jìn)小室中，從而導(dǎo)致補(bǔ)償器和閥門等管道附件銹蝕、漏水，因此保證小室內(nèi)的干燥也是設(shè)計人員需要重點考慮的問題，采用成品的剛性穿墻止水套管，能夠有效防止地下水滲漏至小室中，保證供熱管道小室內(nèi)的干燥和管道附件的安全。

下面以我院設(shè)計的一個工程實例對大型集中供熱熱力網(wǎng)的設(shè)計進(jìn)行簡單介紹。

1 工程概況

管網(wǎng)設(shè)計壓力1.6 MPa，設(shè)計供回溫度130 ℃/70 ℃，設(shè)計管徑為700，設(shè)計供熱能力為370 萬m2，設(shè)計熱負(fù)荷為236 MW，DN700 主管線設(shè)計長度為5 km。管線設(shè)計采用無補(bǔ)償直埋敷設(shè)方式進(jìn)行設(shè)計，因地制宜選取合理的設(shè)計方式。采用供熱直埋管道設(shè)計計算軟件對工藝管道模型進(jìn)行應(yīng)力計算，在盡量減少補(bǔ)償器使用的情況下保證了管道的安全。由于部分管道在高架橋下敷設(shè)，根據(jù)管線綜合多次調(diào)整管位，充分發(fā)揮自然補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢并保證彎頭的安全。供熱管線沿線管位復(fù)雜，由于并州路全線為快速路，大路口高架，小路口平交，地形反復(fù)變化，供熱管線根據(jù)管線綜合多次變換管位。當(dāng)管位變化較大時，充分利用管線的自然補(bǔ)償;當(dāng)管位變化較小，需采用必要措施對彎頭進(jìn)行保護(hù)，減小彎頭應(yīng)力變形。

采用頂管方式穿越部分障礙管線及路口。選用優(yōu)質(zhì)穿墻止水套管及進(jìn)口焊接蝶閥，保證小室內(nèi)干燥及供熱系統(tǒng)的安全。本工程供熱主干線全線在城市主干道下敷設(shè)，地下敷設(shè)有城市的雨水管、污水管、給水管、煤氣管以及各種電纜等。前期需盡可能核實各類管線信息，認(rèn)真勘測，設(shè)計精心布置管線標(biāo)高，合理避讓了各種交叉與沖突，本著設(shè)計先行的理念，充分做好前期工作，降低工程難度，縮短工程時間。

2 管道設(shè)計

設(shè)計參數(shù)取用表見表1。

表1 管道設(shè)計參數(shù)取用表

管道采用預(yù)制保溫管，鋼管為螺旋焊縫鋼管，材質(zhì)為Q235B，DN700 鋼管壁厚為10 mm。

1)無補(bǔ)償管段的應(yīng)力驗算。

對于DN700 管道，計算可得:

因此可以進(jìn)行無補(bǔ)償冷安裝。

2)無補(bǔ)償管段整體穩(wěn)定性驗算。

管道最大軸向力:

初始撓度應(yīng)按下式計算:

當(dāng)f0＜0.01 m 時，f0取0.01 m。

垂直荷載應(yīng)按下式計算:

其中，GW為每米長管道上方的土層重量，N/m;G 為每米長預(yù)制保溫管自重(包括介質(zhì)在內(nèi))，N/m;SF為每米長管道上土方的剪切力，N/m;K0為土壤靜壓力系數(shù);φ 為土壤的內(nèi)摩擦角。

直埋置管段上的垂直載荷應(yīng)符合下式要求:

對于DN700 管道，根據(jù)以上公式，當(dāng)管頂覆土為1.5 m 時可滿足豎向穩(wěn)定性要求，本設(shè)計覆土H≥1.5 m，可滿足要求。

3)無補(bǔ)償管段局部穩(wěn)定性驗算。高溫水直埋管道(Q235 鋼)錨固段軸向失穩(wěn)的臨界徑厚比，其值為Rm/δ ＜40.1;DN700 保溫管，Rm/δ=34.13 ＜40.1，滿足要求。

4)彎頭設(shè)計。管道彎頭選用焊制或沖壓彎頭，三通均采用跨越型式，焊縫探傷要求符合Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)。彎頭應(yīng)力計算公式如下:

根據(jù)上述計算，本工程在無補(bǔ)償直埋敷設(shè)的主干線段彎頭采用R=3.0DN 的預(yù)制保溫彎頭，其他支線彎頭采用R=1.5DN 的預(yù)制保溫彎頭，支線分支開口處采用R=1.5DN 的壓制彎頭。彎頭許用應(yīng)力為375 MPa，各個彎頭計算結(jié)果均滿足要求。

5)三通設(shè)計。開口分支處主線位移小于50 mm，滿足規(guī)范要求，三通均加強(qiáng)，采用肋板加強(qiáng)式加固方案。

6)補(bǔ)償器驗算。管網(wǎng)補(bǔ)償器補(bǔ)償量驗算需乘以安全系數(shù)1.2，DN700 套筒補(bǔ)償器補(bǔ)償量為400 mm，補(bǔ)償器吸收熱伸長均不超過該值，滿足要求。

7)閥門設(shè)計。閥門都與補(bǔ)償器相連接，閥門采用金屬硬密封焊接閥門，主線錨固段內(nèi)不設(shè)置閥門。

3 管線參數(shù)設(shè)計

1)保溫管外殼與土壤單長摩擦力計算:

本設(shè)計管頂覆土H 取1.5 m，最大摩擦系數(shù)取0.4，最小摩擦系數(shù)取0.2。

計算得最大單長摩擦力:Fmax=36 278.4 N/m。

最小單長摩擦力Fmin=18 139.2 N/m。

2)屈服溫差計算:

計算得ΔTy=106.51 ℃。

3)過渡段最大長度:

當(dāng)t1－t0＞ΔTy時，t1－t0=ΔTy。

計算安裝溫度?。? ℃。

供水管130 ℃，t1－t0=135 ℃＞ΔTy。

計算的過渡段最大長度Lmax=298.8 m。

4)補(bǔ)償器拉脫距離:

a.盲板力按管道截面積計算:

b.彎頭兩側(cè)與補(bǔ)償器距離:

L=(最大盲板力)盲板力/管道最小摩擦力=51.2 m。

4 結(jié)語

在設(shè)計中通過增加彎頭、三通的壁厚，對三通開口處進(jìn)行加強(qiáng)處理，適當(dāng)運(yùn)用固定墩和補(bǔ)償器來保護(hù)三通和彎頭的安全，采用金屬硬密封焊接閥門，主線錨固段內(nèi)不設(shè)置閥門以及在管道穿小室的地方采用成品剛性穿墻止水套管的方法，能充分保證供熱管網(wǎng)在運(yùn)行中的安全。通過三個采暖季的運(yùn)行檢驗，該設(shè)計的DN700 供熱管線沒有發(fā)生任何問題，證明了我們的設(shè)計是合理的，安全的，也證明了只要技術(shù)問題處理得當(dāng)，管徑已經(jīng)不是直埋技術(shù)的主要問題。通過技術(shù)人員的不斷努力，大管徑熱水管道的直埋技術(shù)會越來越完善。

［1］王 飛，張建偉.直埋供熱管道工程設(shè)計［M］.第2 版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［2］CJJ 34—2010，城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］CJJ/T 81—2013，城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程［S］.