大管徑直埋供熱管道無補償敷設(shè)方式的應(yīng)用

江輝 鄧月平

摘 要：介紹了供熱管道常見的直埋敷設(shè)方式，討論了供熱管道直埋敷設(shè)的設(shè)計方法和選擇原則，在滿足管道強度和穩(wěn)定性條件下，應(yīng)優(yōu)先采用無補償冷安裝敷設(shè)方式。介紹了直埋供熱管道可能出現(xiàn)的失效方式，結(jié)合工程實例，分析了公稱管徑大于DN500的大管徑供熱管道無補償冷安裝直埋敷設(shè)技術(shù)的技術(shù)難點，給出了工程實際應(yīng)用中采取的技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：大管徑；供熱管道；無補償冷安裝；直埋敷設(shè)

供熱管道直埋敷設(shè)分為無補償直埋敷設(shè)和有補償直埋敷設(shè)。無補償直埋敷設(shè)又可分為無補償冷安裝直埋敷設(shè)、預(yù)應(yīng)力無補償直埋敷設(shè)。預(yù)應(yīng)力無補償直埋敷設(shè)又分為機(jī)械拉伸、敞槽預(yù)熱、一次補償?shù)榷喾N形式。預(yù)熱方式按加熱介質(zhì)又分為熱水、熱風(fēng)和電加熱等。

1 敷設(shè)方式及選擇原則

在直埋供熱管網(wǎng)設(shè)計過程中，無補償直埋敷設(shè)的設(shè)計方法采用應(yīng)力分類法對管道進(jìn)行應(yīng)力驗算。應(yīng)力分類法根據(jù)由不同特性的荷載產(chǎn)生的應(yīng)力性態(tài)和對管道破壞的影響，對管道上不同性態(tài)的應(yīng)力分別給予不同的限定值[1-3]。應(yīng)力分類法將計算應(yīng)力分成一次應(yīng)力、二次應(yīng)力及峰值應(yīng)力，分別采用彈性分析理論、安定性分析理論及疲勞分析理論進(jìn)行分析，可以充分發(fā)揮管材的承載能力。

采用無補償冷安裝直埋敷設(shè)技術(shù)，可以大大減少補償器、固定墩的使用，減少系統(tǒng)中危險點的數(shù)量，從而提高管網(wǎng)安全運行可靠性；節(jié)約工程資金；施工周期短，管道壽命長；降低了維護(hù)費用以及熱損失。所以，在滿足強度和穩(wěn)定性條件下，應(yīng)優(yōu)先采用無補償冷安裝方式。

2 工程概況

為減少西北地區(qū)某石化企業(yè)的大氣污染物排放，改善附近居民生活環(huán)境，該石化公司于2011年進(jìn)行了生活區(qū)供暖系統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)改造，將原有集中供熱鍋爐房停運，采用該石化公司熱電廠供出的低壓蒸汽實施熱電聯(lián)產(chǎn)供熱。

該熱電聯(lián)產(chǎn)改造工程的總供熱負(fù)荷為145MW，高溫水供熱管道全長為6km，最大公稱管徑為DN600mm，供熱介質(zhì)高溫供回水溫度為130～80℃，設(shè)計壓力為1.23MPa。該工程的特點是工程規(guī)模大，建設(shè)期短，要求當(dāng)年實現(xiàn)供熱。在工程設(shè)計中采用應(yīng)力分類法進(jìn)行應(yīng)力驗算，高溫水供熱管道全部采用無補償冷安裝直埋敷設(shè)技術(shù)。經(jīng)過近四個采暖期的運行，狀況穩(wěn)定，供熱效果良好。證明了大管徑高溫水供熱管道無補償冷安裝直埋敷設(shè)技術(shù)的可行性、實用性和安全性。

3 高溫水供熱直埋管道設(shè)計的主要難點

（1）2011年進(jìn)行本工程設(shè)計時，可依據(jù)的設(shè)計規(guī)范版本為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T81-98）（以下簡稱：《規(guī)程》（CJJ/T81-98））。該標(biāo)準(zhǔn)適用于供熱介質(zhì)溫度小于或等于150℃，公稱直徑小于或等于DN500的直埋熱水管道。對于管徑大于DN500的大管徑高溫水管道的直埋技術(shù)，當(dāng)時還沒有制定相應(yīng)的規(guī)范和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。

（2）直埋供熱管道的失效方式。直埋供熱管道可能出現(xiàn)的的失效方式包括強度失效和穩(wěn)定性失效兩個方面，當(dāng)管道的管徑大于DN500時，除上述破壞方式外，局部失穩(wěn)和截面橢圓變形出現(xiàn)的概率將大大增加，會成為大管徑直埋管道的主要失效方式。因此，需要管材管件選用、管網(wǎng)設(shè)計、現(xiàn)場施工中采取必要的技術(shù)措施防止直埋管道的失效。

4 無補償冷安裝直埋敷設(shè)技術(shù)采取的技術(shù)措施

4.1 選用合格產(chǎn)品。劣質(zhì)的高密度聚乙烯外殼起不到的整體防水作用，極易產(chǎn)生腐蝕破壞，而低粘結(jié)力的保溫層使預(yù)制保溫管無法形成三位一體的結(jié)構(gòu)，使鋼管產(chǎn)生無法預(yù)知的熱脹變形，或者加大管件的應(yīng)力水平。因此，采用符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)制保溫管是優(yōu)質(zhì)直埋管網(wǎng)工程的基礎(chǔ)。

4.2 合理的系統(tǒng)設(shè)計

（1）彈性彎曲管道（彎管）設(shè)計。針對該石化生活區(qū)地下障礙物較多，地下敷設(shè)的管道易產(chǎn)生折角的現(xiàn)象，在管道布置中將大折角分解為幾個小角度（≤1°）折角進(jìn)行敷設(shè)。對于0～15°折角和16～85°轉(zhuǎn)角（彎管），由于將其分解為小折角會很困難，則采用大彎曲半徑的彎管來代替大折角，可以將應(yīng)力分散，從而避免了折角處由于預(yù)應(yīng)力集中而產(chǎn)生低循環(huán)疲勞破壞或局部失穩(wěn)破壞。

（2）增大彎頭彎曲半徑。當(dāng)彎頭側(cè)壁較長，曲率半徑較小，循環(huán)溫差較大時，會招致峰值應(yīng)力，發(fā)生低頻次的循環(huán)塑性變形，在循環(huán)一定次數(shù)后發(fā)生疲勞破壞。因此，為了增加彎頭的強度，在設(shè)計中使用大彎曲半徑的彎頭，將應(yīng)力分散。同時減少了彎頭的摩擦阻力，降低了壓降損失，同時使補償能力最大化。

（3）直埋彎頭處的處理。為了充分利用自然彎頭的補償能力，在設(shè)計中對彎頭彈性臂側(cè)做特殊處理。如彎頭處做空穴、彎頭兩側(cè)設(shè)置膨脹墊，為彎頭提供彈性膨脹區(qū)域，使彎頭的應(yīng)力驗算等同于在管溝或架空敷設(shè)時彎頭的應(yīng)力驗算，在滿足使用壽命的條件下，使其補償能力最大。

4.3 嚴(yán)格周密的現(xiàn)場安裝

由于大口徑（DN600）高參數(shù)（供水130℃/回水80℃）無補償冷安裝直埋敷設(shè)技術(shù)的技術(shù)要求高，為確保工程質(zhì)量，要求嚴(yán)格保證焊接質(zhì)量，鋼管及管件焊接全部采用氬弧焊打底和雙面焊，并對所有焊縫進(jìn)行100%無損探傷。

4.4 平穩(wěn)的生產(chǎn)運行

對于相同的熱網(wǎng)，在連續(xù)運行和間歇運行工況下，兩者的情況是不同的。溫度變化頻繁，將加大鋼管的循環(huán)塑性變形和疲勞破壞，也就容易破壞。因此，在進(jìn)行供熱調(diào)節(jié)時，應(yīng)避免供熱管網(wǎng)水溫頻繁的變化。

5 結(jié)束語

該熱電聯(lián)產(chǎn)改造工程于2011年11月完工并投入運行，無補償冷安裝直埋敷設(shè)的高溫水管線經(jīng)過了近四個供暖期的考驗，沒有發(fā)生任何問題，完全達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，通過此次工程實踐，大管徑高溫水供熱管道技術(shù)應(yīng)用具有以下意義：

（1）對《規(guī)程》（CJJ/T81-98）的有益補充和拓展。在熱電聯(lián)產(chǎn)項目中所采用的無補償冷安裝直埋敷設(shè)技術(shù)，主管道管徑超出了《規(guī)程》（CJJ/T81-98）的規(guī)定范圍，其成功的實踐應(yīng)用，是對《規(guī)程》（CJJ/T81-98）的有益補充和范圍的拓展，為《規(guī)程》（CJJ/T81-98）今后的修訂和完善提供了實踐基礎(chǔ)。事實上，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在《規(guī)程》（CJJ/T81-98）基礎(chǔ)上進(jìn)行修訂后，2014年2月1日頒布實施的《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T81-2013）就將規(guī)程的適用范圍擴(kuò)大到“管道直徑小于或等于1200mm的城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道”[5]。

（2）具有更高的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和輸熱能力。由于采用了無補償直埋敷設(shè)技術(shù)，直埋敷設(shè)本身就比管溝敷設(shè)節(jié)約了投資費用，取消了補償器和固定支架，既節(jié)約了投資，又杜絕了補償器產(chǎn)生故障而導(dǎo)致的對熱網(wǎng)運行的影響和維護(hù)成本，提高了熱網(wǎng)運行的安全可靠性，同時，也可縮短施工周期10%～30%，管網(wǎng)阻力損失可減少約20%。

（3）對節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境具有積極的意義。熱網(wǎng)的成功敷設(shè)，保證了熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的安全運行，消除了生活區(qū)燃煤供熱鍋爐運行時產(chǎn)生的粉塵和二氧化硫等污染，極大地改善了該石化企業(yè)生活區(qū)的大氣環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

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[2]DL/T5366-2014.發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計算技術(shù)規(guī)程[S].

[3]CJJ34-2010.城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范[S].

[4]王飛，張建偉.直埋供熱管道工程設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[5]CJJ/T81-2013.城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程[S].