關(guān)于熱力直埋管道漂移問題的研究

張 磊

(太原市熱力設(shè)計有限公司，山西 太原 030012)

近年來，大口徑直埋供熱管道的設(shè)計非常普遍，因此，研究如何提高設(shè)計質(zhì)量，增加管網(wǎng)的可靠性和使用壽命顯得尤為重要。結(jié)合工程實例，本文將熱力直埋供熱管道漂移問題進(jìn)行分析。

1 問題的提出

在供熱管線直埋敷設(shè)穿越現(xiàn)河流、明渠，以及交叉障礙復(fù)雜的十字路口時，管線不能按照設(shè)計高程較淺通過時，設(shè)計布置方案見圖1。

在障礙兩側(cè)需設(shè)置垂直立管，下翻到較深位置穿越，當(dāng)障礙跨距較大時，為增大立管補償量，在立管上設(shè)置橫向拉桿補償器，并設(shè)置檢查井；當(dāng)直埋管道較長，橫向補償器無法滿足補償要求，在上翻后需在一定距離位置設(shè)置軸向套筒補償器并設(shè)置檢查井。這樣布置：1)可保證管線均較淺敷設(shè)，只局部調(diào)整高程；2)若障礙位置由于特定原因不能采用大開挖形式，可頂管敷設(shè)；3)補償器的布置吸收了熱伸長，緩解了管道應(yīng)力。

然而，由于管道布置的不對稱以及管道運行時盲板力的存在，在每年的供熱循環(huán)運行過程中，“L”段的管道會逐漸向立管方向漂移，在一些既有工程中，拉桿補償器已經(jīng)嚴(yán)重變形，直接影響供熱管網(wǎng)的運行。為此，本文就該模型通過受力分析及工程實例計算來研究其管道漂移變化規(guī)律及對管網(wǎng)安全運行的影響，并提出合理解決方案。

2 模型的建立和分析計算

管道漂移的研究模型如圖2所示，1號小室內(nèi)設(shè)置軸向套筒補償器，2號小室內(nèi)設(shè)置橫向拉桿補償器，“L”段管道為研究對象。對模型受力計算時做以下假設(shè)：1)管道盲板力按設(shè)計壓力考慮，且不考慮初運及停運時緩慢加壓及泄壓過程，考慮為恒值；2)土壤摩擦力受力均勻且穩(wěn)定；3)不考慮管道及管件的永久塑性變形。

管道采用預(yù)制直埋保溫管，管材為Q235鋼，設(shè)計最高溫度130 ℃，循環(huán)最低溫度10 ℃，安裝溫度為-5 ℃，設(shè)計壓力1.6 MPa，管頂覆土深度為1.5 m，“L”段管道取長度為100 m，其余參數(shù)均按照太原市集中供熱聯(lián)網(wǎng)工程施工圖設(shè)計參數(shù)選取。

2.1 首次運行受力分析

在最初運行和最終停運時，管道盲板力為0，駐點基本位于中點位置。

管道升溫時受力模型如圖3所示，當(dāng)整個管道達(dá)到受力平衡時，受力分析如下述公式：

F摩擦L1+F反1+PdA=F摩擦L2+F反2，

F摩擦L1=πρgμ(H+Dc/2)·Dc·L1,

F摩擦L2=πρgμ(H+Dc/2)·Dc·L2,

L1+L2=L。

升溫時，“L”段管道的駐點位于A位置，L2表示駐點A和立管間的距離。

管道降溫時受力模型如圖4所示，對于現(xiàn)在城市集中供熱根據(jù)室外溫度變化一般采取質(zhì)調(diào)節(jié)，即降溫運行時仍存在盲板力，但是摩擦力方向相反，整個管道達(dá)到受力平衡時，受力分析如下述公式：

F摩擦L2+PdA=F摩擦L1+F反1+F反2,

F摩擦L1=πρgμ(H+Dc/2)·Dc·L1,

F摩擦L2=πρgμ(H+Dc/2)·Dc·L2,

L1′+L2′=L。

降溫時,“L”段管道的駐點位于B位置，L2′表示駐點B和立管間的距離。

可見管網(wǎng)在初次運行升溫和降溫過程中，管道的駐點位置向立管方向移動了，移動距離為H。升溫時，兩側(cè)管道將以駐點A向兩側(cè)熱伸長，1號小室套筒補償器吸收了L1管段的熱伸長，2號小室拉桿補償器吸收了L2管段的熱伸長；而降溫時，兩側(cè)管道將以駐點B縮回原狀態(tài)，1號小室套筒補償器縮回L1′管段的熱伸長，2號小室拉桿補償器縮回了L2′管段的熱伸長；顯然由于L1L2′，拉桿補償器伸長量大于縮回量，拉桿補償器向立管方向推動，由于靜摩擦力的存在，拉桿補償器由熱伸長產(chǎn)生的變形無法得到復(fù)原，使其塑性變形，失去補償器作用，計算結(jié)果見表1。

表1 首次運行時不同管徑下的駐點位置

由計算得出，在參數(shù)相同的情況下，熱力管線管徑越大，駐點移動的距離就越大，管道漂移現(xiàn)象就越明顯。大口徑管線就是城市集中供熱生命線，若存在管道漂移問題，對于整個集中供熱管網(wǎng)構(gòu)成了極大的安全隱患。

顯然，駐點漂移的根本原因是由于管道內(nèi)壓引起的盲板力造成的，在上述計算中，盲板力都是以設(shè)計壓力(恒值)計算的，然而在實際管網(wǎng)操作中，管道運行和停運階段，壓力是逐漸變化的，即在升溫階段，盲板力逐漸增大，駐點由中點逐漸向A點移動，實際平均L2的長度要小于計算值，而在降溫階段，駐點由B點逐漸向中點移動，實際平均L2′的長度要大于計算值，因此，實際駐點移動量即H=L2-L2′，要小于計算值。

2.2 管道逐年漂移量

由于管線原始狀態(tài)和最終狀態(tài)參數(shù)一致，管線總的伸長和回縮的量是一樣的，管道在升溫和降溫過程中，駐點由A位置向立管方向移動到B位置，由于熱伸長和回縮時的基準(zhǔn)點不一致，導(dǎo)致整個管道向立管方向漂移，移動距離為駐點移動量H的熱伸長，得當(dāng)年運行管道漂移量的計算方法如下：

由于t1-t0≤Δty且L≤Lmin，整個管段處于彈性工作狀態(tài)，故駐點A熱伸長為：

H=[a·(t1-t0)-(Fmin·L)/(2E·A×106)]·(L2-L2′)。

其中，Lmin為管道的過渡段最小長度,m；E為鋼材的彈性模量，MPa；t0為管道計算安裝溫度，取-5 ℃；t1為管道工作循環(huán)最高溫度，℃；t2為管道工作循環(huán)最低溫度，取10 ℃；υ為鋼材的泊松系數(shù)，對鋼材取0.3；ρ為土壤密度，取1 800 kg/m3；[σ]為鋼材在計算溫度下的基本許用應(yīng)力，取125 MPa；σt為管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力，MPa；σj為內(nèi)壓、熱脹應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力變化范圍，MPa。

需要注意的是，在計算逐年運行漂移量時，L2和L2′長度的計算需考慮摩擦力隨著運行次數(shù)而變化，摩擦力的大小按照《規(guī)程》上給出的摩擦力的下降規(guī)律取值；以及在上一次駐點漂移后，拉桿補償器沒有恢復(fù)原狀而產(chǎn)生的彈性反力。計算逐年運行時，“L”管道逐年的漂移量見表2。

表2 管道逐年漂移量

可見，在第一年的循環(huán)過程中，管道管徑越大，由于駐點的移動量增加，管道向立管方向漂移的距離就越大，對于大于DN900的管道，理論計算漂移距離可達(dá)30 mm，基本可以在立管位置看出變形，這對于管網(wǎng)運行是絕對不容許的，應(yīng)加以保護(hù)措施。

隨著運行次數(shù)的增加，摩擦力逐漸變小，因此對于相同管徑的管道在第二年、第三年的管道移動量是逐年增加的；在經(jīng)過多次運行循環(huán)后摩擦力固定為某一最小值不再變化，管道每年移動量也成為固定值。

同樣由于實際運行中，盲板力是逐漸變化的，管道實際累計移動量要小于表2中的計算值。

3 解決方案的提出

通過以上分析可知，由于盲板力的存在以及管道受力的不平衡，供熱管道隨著每年的循環(huán)運行，會逐漸向立管方向漂移，且不可逆轉(zhuǎn)。由于供熱直埋管道環(huán)境的復(fù)雜多樣，對于計算參數(shù)的影響因素也非常多，所以理論計算和實際情況存在偏差，但是指出了供熱管道漂移的趨勢和變化規(guī)律。

因此，針對駐點漂移的問題，提出解決方法：

1)對于管徑較小的供熱管線，駐點移動量及整個管段的累計漂移量都比較小，為減小工程投資和施工難度，不特意采取措施，只是將套筒補償器及拉桿補償器的補償量按照最不利情況選取，即摩擦系數(shù)最小且溫差最大時，同時考慮到工程實際當(dāng)中的諸多不確定因素，應(yīng)在設(shè)計補償器時，考慮計算補償量的20%的富裕值。若按照此方法，該段直埋管道施工及回填應(yīng)嚴(yán)格按照供熱管網(wǎng)施工規(guī)范執(zhí)行，分層夯實，夯實系數(shù)不小于0.94。

該方法較為簡單實用，對施工現(xiàn)場環(huán)境要求不高，因補償器的選用大于設(shè)計值費用有所提高，但省去其余處理措施的費用和時間，因此對于管徑較小、設(shè)計溫度和設(shè)計壓力較低的供熱管道的設(shè)計，可以采用此方法。

2)對于大管徑的供熱管線，為了確保管網(wǎng)運行的安全及增大其使用年限，不應(yīng)放任駐點移動，需在兩補償器之間增加固定支架，限制管道移動。該固定支架可以考慮只是限制管道移動距離，因此，可以按照允許固定支架有位移的情況做受力分析，大大減小固定支架受力，縮小了占地面積，減少了工程投資和工程周期。

4 結(jié)語

由于駐點漂移的問題，拉桿補償器被向外側(cè)推，嚴(yán)重變形，失去補償能力，而套筒補償器補償能力一般較大，表面上沒有明顯變形跡象，但已經(jīng)向立管方向拖拽了，如果套筒補償器不富?；蛘哐a償量過小，就會被拉壞，對管網(wǎng)運行造成極大隱患。本文針對不同口徑供熱管線提出解決駐點漂移的方案，措施經(jīng)濟(jì)合理，技術(shù)可行。施工階段大大減小固定支架受力，縮小了占地面積，減少了工程投資和工程周期，運行階段確保了管網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性，保證了供熱質(zhì)量和效果。

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

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

[3] 王 飛,張建偉,王國偉,等.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,2014.

[4] 王 飛,張建偉.大口徑預(yù)制直埋供熱管摩擦系數(shù)的研究[J].建筑熱能通風(fēng)與空調(diào)，2006(12):36-38.