供熱管道直埋敷設(shè)在煤礦中的應(yīng)用

白 靈

（煤炭工業(yè)鄭州設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,河南鄭州,450000）

供熱管道直埋敷設(shè)在煤礦中的應(yīng)用

白 靈

（煤炭工業(yè)鄭州設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,河南鄭州,450000）

近年來，供熱管道直埋敷設(shè)應(yīng)用越來越廣泛，而且在實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)，不斷向前發(fā)展。對于供熱管道直埋敷設(shè)而言，其安裝方式多樣，不同安裝方式也需要不同的應(yīng)力計(jì)算方法。目前，直埋敷設(shè)安裝方式的選擇比較混亂，主要是沒有正確認(rèn)識直埋敷設(shè)安裝方式的適用條件。

供熱管道；有補(bǔ)償直埋敷設(shè)；無補(bǔ)償預(yù)熱安裝；無補(bǔ)償冷安裝；煤礦

在供熱工程方面，新技術(shù)層出不窮，像供熱管道直埋敷設(shè)就屬于一種不斷發(fā)展與進(jìn)步的敷設(shè)技術(shù)，它也是當(dāng)前比較常用敷設(shè)方式，其優(yōu)點(diǎn)有占地少、施工周期短、維護(hù)量少、節(jié)約投資、壽命長等等。伴隨著我國城市供熱管網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，舊的直埋敷設(shè)管道設(shè)計(jì)和施工方法已經(jīng)落后于時(shí)代，無法與先進(jìn)技術(shù)相媲美。煤礦屬于特殊企業(yè)，各個(gè)煤礦都離不開供熱設(shè)施，供熱管網(wǎng)自然成了一個(gè)不可缺少的重要環(huán)節(jié)。大部分煤礦位置偏遠(yuǎn)、地形復(fù)雜，除建筑供暖管道以外，礦井井筒防凍、浴室供熱都需要專管供熱，即供熱管網(wǎng)管道密集，敷設(shè)情況相當(dāng)復(fù)雜。因此，本文將進(jìn)一步分析供熱管道直埋敷設(shè)在煤礦場區(qū)的應(yīng)用情況，以供借鑒。

1 直埋敷設(shè)管道的管段類型

1.1 過渡段

過渡段主要是為管道的一端與補(bǔ)償器相連接，具體地說，確定設(shè)有補(bǔ)償器的一點(diǎn)A，一旦溫度發(fā)生變化，管道就會自由地進(jìn)行伸縮；再當(dāng)管道截面由A點(diǎn)漸漸向B點(diǎn)移動時(shí)，在管道與周圍土壤之間產(chǎn)生的巨大摩擦力作用下，管道熱伸長就會嚴(yán)重受到阻礙；隨后，當(dāng)管道截面的位置漸漸B點(diǎn)靠近時(shí)，這時(shí)的摩擦阻力就會增加至與溫度熱脹力相等的水平，從而使管道無法再向補(bǔ)償器側(cè)伸長，即使之形成自然嵌固狀態(tài)。這類管段中，可以發(fā)現(xiàn)管道熱伸長由自由伸縮過渡到嵌固狀態(tài)，由于管道的各個(gè)位置都有不同程度的熱伸長，所以溫度應(yīng)力表現(xiàn)為部分釋放。因此，從強(qiáng)度角度來分析，過渡段并非是整個(gè)管道的最薄弱環(huán)節(jié)，它的主要任務(wù)是為了確定管道的熱伸長量，進(jìn)而合理選擇補(bǔ)償器。

1.2 嵌固段

所謂嵌固段，主要是在土壤摩擦阻力的作用下，管段進(jìn)入了自然嵌固狀態(tài)，于是管道的熱伸長完全受到阻礙，同時(shí)管道熱伸長完全受阻以后，其熱脹應(yīng)力就留在了管壁中。因此，嵌固段是全線應(yīng)力最大的直線管段，才是真正屬于直管段強(qiáng)度驗(yàn)算的重點(diǎn)。與此同時(shí)，在運(yùn)作的情況下，熱脹應(yīng)力對管段形成軸向壓縮應(yīng)力，會導(dǎo)致管道縱向失穩(wěn)，最終隆出地面，所以穩(wěn)定性驗(yàn)算不可忽視。

1.3 L型管段

所謂L型管段，主要類似與地溝敷設(shè)的L型自然補(bǔ)償器，不同的一點(diǎn)是，此管段可以使直管壁只能發(fā)生側(cè)向補(bǔ)償變形，其余

部分的直管壁僅能作軸向位移，不對固定點(diǎn)產(chǎn)生側(cè)向推力。同時(shí)，相連的L型管段無法組成z型補(bǔ)償段，直管壁的變形及應(yīng)力狀態(tài)相似于過渡段，因此它也可以稱為過渡段，其計(jì)算重點(diǎn)為彎頭元件的強(qiáng)度驗(yàn)算。

2 供熱管道直埋敷設(shè)方式及要求

供熱管網(wǎng)的直埋敷設(shè)，主要應(yīng)用于城市集中供熱工程中，不只在國外，就是在國內(nèi)也已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。供熱管道直埋敷設(shè)的應(yīng)力計(jì)算、實(shí)施方法都與其安裝方式有關(guān)，而供熱管道直埋敷設(shè)安裝方式又分為兩種：一是有補(bǔ)償直埋敷設(shè)；二是無補(bǔ)償直埋敷設(shè)。

2.1 有補(bǔ)償直埋敷設(shè)

有補(bǔ)償直埋敷設(shè)是在管道系統(tǒng)中設(shè)置補(bǔ)償器，或者設(shè)置膨脹彎管，然后利用補(bǔ)償器或彎管吸收由溫差產(chǎn)生的熱伸長量，以便解決管道膨脹位移的問題，確保管道的二次應(yīng)力和一次應(yīng)力的綜合應(yīng)力不超過鋼材許用應(yīng)力，保持鋼管始終處在彈性范圍內(nèi)工作。

2.2 無補(bǔ)償直埋敷設(shè)

無補(bǔ)償直埋敷設(shè)是在管道系統(tǒng)中不設(shè)置補(bǔ)償器，而是應(yīng)用預(yù)熱方式，或者通過驗(yàn)校管道的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而使管道的運(yùn)行安全、可靠。進(jìn)一步分析，無補(bǔ)償直埋敷設(shè)還可以細(xì)細(xì)進(jìn)行劃分，其一為無補(bǔ)償冷安裝方式，其二為無補(bǔ)償預(yù)熱安裝方式。

無補(bǔ)償冷安裝方式，指在供熱管網(wǎng)的工作溫度范圍內(nèi)，管道熱伸長受阻而生溫度應(yīng)力，在滿足安定性分析的強(qiáng)度條件時(shí)，從管道強(qiáng)度的角度考慮，管網(wǎng)中可以不設(shè)置補(bǔ)償器。

無補(bǔ)償預(yù)熱方式又可以分為敞開式預(yù)熱安裝和設(shè)置一次性補(bǔ)償器覆土后進(jìn)行預(yù)熱兩種。當(dāng)管道溫度加熱到預(yù)熱溫度的時(shí)候，就可以回填或者進(jìn)行焊接；當(dāng)管道溫度恢復(fù)到環(huán)境溫度的時(shí)候，管道就處于拉應(yīng)力狀態(tài)而產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力。需要注意的是，由于一定量的熱脹變形提前釋放，管道壓應(yīng)力和拉應(yīng)力都不能超過鋼材的許用應(yīng)力。

2.3 直埋敷設(shè)管材要求

供熱管道直埋敷設(shè)對管材有特殊的要求，需要選擇鋼管、保溫層和外護(hù)層緊密結(jié)合的整體式的預(yù)制保溫結(jié)構(gòu)。大體上說，當(dāng)鋼管內(nèi)熱水的溫度發(fā)生變化時(shí)，這個(gè)保溫管整體也跟著伸長或收縮，而且保溫結(jié)構(gòu)層間不能發(fā)生滑動。保溫結(jié)構(gòu)還要有傳遞剪切力的能力，鋼管、保護(hù)層和外護(hù)層要有充足的粘結(jié)強(qiáng)度。保溫管和外護(hù)層的強(qiáng)度要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，有能力抵抗土壤壓力，尤其變形部位土壤壓力較大的部位。保溫管外護(hù)層的防水功能也要強(qiáng)，現(xiàn)場接頭施工要嚴(yán)密封閉。保溫管要有符合標(biāo)準(zhǔn)的抗老化性能，在管網(wǎng)整個(gè)壽命期內(nèi)必須保證保溫結(jié)構(gòu)的技術(shù)指標(biāo)。保溫層要有較好的絕熱性能，不但要滿足管網(wǎng)熱損失的要求，而且還要滿足外護(hù)層使用的溫度要求。

3 供熱管道直埋敷設(shè)在煤礦中的應(yīng)用分析

3.1 煤礦熱用戶情況

煤礦企業(yè)地理位置比較偏僻，地形復(fù)雜，供熱范圍涉及礦井工業(yè)場地的建筑采暖、井筒防凍、生活熱水供熱。

井筒防凍用以保證冬季礦井安全，為了保持良好的防凍效果，井筒防凍設(shè)施需靠近井口布置，井筒防凍布置位置要緊湊。井筒防凍供熱管道為專管輸送。

煤礦的生活熱水主要是指職工洗浴用熱水，它與直接生產(chǎn)相聯(lián)，每班工人出井后都要進(jìn)浴室洗浴，即煤礦浴室是煤礦生產(chǎn)過程中重要的輔助環(huán)節(jié)。浴室供熱常年不間斷，有生產(chǎn)，就要供熱。浴室供熱管道采用專管輸送。煤礦職工浴室規(guī)模較大，采暖時(shí)間又需要提前，因供暖時(shí)間不一致，有時(shí)也需要專管輸送。

通常，供熱管網(wǎng)需沿礦井場地內(nèi)的道路敷設(shè)，呈枝狀布置。因?yàn)榻ㄖ锉容^多，除生活福利建筑外，還有生產(chǎn)性建筑、輔助車間廠房、庫房等，所以供熱管網(wǎng)有許多分支。

3.2 煤礦供熱管網(wǎng)敷設(shè)

由于礦井工業(yè)場地?zé)嵊脩艟哂刑厥庑裕彝夤峁芫W(wǎng)的管道密集，采取直埋敷設(shè)可以減少占地，能夠充分發(fā)揮供熱管道直埋敷設(shè)的優(yōu)越性。

供熱管道直埋無補(bǔ)償敷設(shè)，可以減少補(bǔ)償器和固定墩的設(shè)置，從而減少管網(wǎng)投資，降低事故發(fā)生的概率。近年來，從國外引進(jìn)的冷安裝方式具有操作簡單的優(yōu)勢，采用大管徑無補(bǔ)償冷安裝，施工安裝簡單，工程量少、工期短。

無補(bǔ)償冷安裝對應(yīng)力計(jì)算要求高，要求管網(wǎng)各管段、分支點(diǎn)數(shù)據(jù)要準(zhǔn)確無偏差。在煤礦設(shè)計(jì)過程中，做供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，常常會出現(xiàn)許多建筑物施工圖還出來，就需要按估算熱負(fù)荷值進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的現(xiàn)象。大部分建筑物的接口定位不準(zhǔn)確，管網(wǎng)分支多，計(jì)算繁瑣、周期又長，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性難以達(dá)到無補(bǔ)償冷安裝的要求，即無補(bǔ)償冷安裝方式不適合煤礦供熱管網(wǎng)。

無補(bǔ)償預(yù)熱安裝要求現(xiàn)場有加熱的熱源。在煤礦供熱管網(wǎng)的實(shí)際工程中，熱源施工滯后，施工現(xiàn)場很少有現(xiàn)成熱源，根據(jù)現(xiàn)有的施工能力，難以實(shí)現(xiàn)無補(bǔ)償預(yù)熱安裝。

3.3 需要注意的問題

關(guān)于管線單一、布置地形簡單、分支少的熱水管網(wǎng)，在可以滿足無補(bǔ)償冷安裝的條件下，特別是城市集中供熱大管道，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用冷安裝方式，克服預(yù)應(yīng)力方式給工程投資和施工帶來的一系列難度。

當(dāng)具備預(yù)熱設(shè)備時(shí)，可以采取無補(bǔ)償預(yù)熱安裝方式，但是要配備技術(shù)力量雄厚的施工人員。

在管道多、管網(wǎng)分支多、地形復(fù)雜的情況下，應(yīng)當(dāng)采用有補(bǔ)償直埋敷設(shè)，首先要深入構(gòu)思，布局要合理，盡量減少補(bǔ)償器和檢查井的數(shù)量，從而減少工程量，同時(shí)要密切配合施工隊(duì)伍。直埋供熱管網(wǎng)的管道內(nèi)應(yīng)力較大，受力狀態(tài)也很復(fù)雜，特別是管件很容易受到破壞。因此，供熱管道直埋敷設(shè)施工時(shí)，一定要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖施工，同時(shí)施工中還要注意幾個(gè)要點(diǎn)：一是不隨便增加或減少管路系統(tǒng)中的折點(diǎn)及彎頭；二是不亂更改分支點(diǎn)和補(bǔ)償裝置位置；三是不可以隨便改變管道的覆土深度；四是嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)要求，做好保溫接口，保證鋼管焊口質(zhì)量；五是確保管道周圍墊砂與設(shè)計(jì)要求相符。

4 結(jié)束語

目前，盡管大多數(shù)文獻(xiàn)都對直埋敷設(shè)安裝方式做了詳盡分析，但在實(shí)際應(yīng)用中，直埋敷設(shè)安裝方式的選擇還比較混亂。如果安裝方式不科學(xué)，就會浪費(fèi)大量能源和管材，甚至管路系統(tǒng)中也會潛伏安全隱患等等。本文明確指出直埋敷設(shè)各種安裝方式的適用條件，以工程特點(diǎn)和不同管道情況為依據(jù)，采取最優(yōu)安裝方式，使管道能夠合理、安全地運(yùn)行。

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Application of directly buried heating pipeline in coal mine

Bai Ling
(Limited by Share Ltd of Zhengzhou coal industry design and Research Institute of Henan,Zhengzhou ,450000)

In recent years,directly buried heating pipeline is applied more and more widely,and the accumulation ofexperience in practice,continuous development.For directly buried heating pipeline,the installation modes,different installation methods also need stress calculation method in different.At present,the selection of directly buriedinstallation mode confusion,is mainly applicable conditions of directly buried installation mode is not the correct understanding.

heating pipe;buried without compensation;compensation preheating installation without compensatingcold installation;coal mine