直埋無補(bǔ)償冷安裝技術(shù)在長(zhǎng)輸管線中的應(yīng)用

魏宇馳

【摘 要】本文簡(jiǎn)要介紹供熱管道直埋敷設(shè)方式，從管道安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面分析直埋無補(bǔ)償冷安裝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)直埋供熱管道的強(qiáng)度時(shí)應(yīng)該積極采用不同的技術(shù)措施，這樣才能避免因管道性質(zhì)不同從而產(chǎn)生不同應(yīng)力對(duì)管道的破壞，因此我們需要研究選擇不同的安裝方式要具體問題具體分析，針對(duì)不同的管段采用不同的措施，這樣才能夠使得直埋熱管道有效運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】供熱管道直埋敷設(shè)無補(bǔ)償冷安裝

目前國(guó)內(nèi)供熱管道直埋敷設(shè)已被廣泛地應(yīng)用在供熱工程中，并實(shí)現(xiàn)了無補(bǔ)償?shù)闹甭穹笤O(shè)。而在無補(bǔ)償直埋敷設(shè)供熱管道中，以直埋無補(bǔ)償冷安裝敷設(shè)方式最經(jīng)濟(jì)，工期最短，是目前國(guó)內(nèi)大力推廣的敷設(shè)方式。我集團(tuán)在2015年至2016年建設(shè)的某大型管網(wǎng)中采用了此項(xiàng)技術(shù)，該工程主干線DN1200管道23.9公里（溝長(zhǎng)），DN1000管道3公里（溝長(zhǎng)）、DN800管道3.6公里（溝長(zhǎng)），均采用了直埋無補(bǔ)償冷安裝敷設(shè)方式。

一、直埋管道中的應(yīng)力分析

1管道荷載

直埋供熱管道的荷載包括兩個(gè)方面：一是工作壓力，另一個(gè)是溫度變化。在直埋供熱管道工作時(shí)，管道壓力不發(fā)生變化，與管道發(fā)生形態(tài)沒有任何關(guān)系，這時(shí)所產(chǎn)生的力我們稱之為一次應(yīng)力，由于溫度變化對(duì)管道產(chǎn)生的熱應(yīng)力作用，比如熱脹冷縮位移作用，這時(shí)產(chǎn)生的力我們稱之為二次應(yīng)力。

一次應(yīng)力：由于工作管道的壓力而在管道中產(chǎn)生的應(yīng)力。二次應(yīng)力：由于工作管道溫度的變化，管道因熱脹冷縮而變形，這種變形不能自由釋放，因此就在管道中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。峰值應(yīng)力：在承受一次應(yīng)力，同時(shí)又有二次應(yīng)力作用的情況下，直埋管道的相關(guān)管件釋放應(yīng)力作用下的形變，這時(shí)就會(huì)在管件上產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力我們稱之為峰值應(yīng)力。

2土壤的影響

一般情況下在地溝敷設(shè)和架空敷設(shè)中，由于管道的自重，管道會(huì)有一個(gè)軸向的彎曲變形，但是在土壤中，土壤能夠在一定程度上起到支撐作用，這也就使得管道能夠減少相應(yīng)的彎曲變形，所以對(duì)于其在管道剛度以及強(qiáng)度上的影響，我們一般可以忽略。管道溫度上升由于土壤而產(chǎn)生的摩擦力和壓縮反力，這就使得供熱管道因熱脹冷縮而產(chǎn)生的形變受到一定的限制，這樣就會(huì)產(chǎn)生較大的二次應(yīng)力。

三、供熱管道直埋敷設(shè)方式

1有補(bǔ)償直埋敷設(shè)

有補(bǔ)償安裝是指在供熱管道上加裝補(bǔ)償器，利用補(bǔ)償器來吸收管道的熱膨脹變形，從而使管道應(yīng)力下降的模式。管道和土壤之間摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力較大，補(bǔ)償段長(zhǎng)度較短，管網(wǎng)中需設(shè)置大量補(bǔ)償器。一般每150米至200米需加一對(duì)補(bǔ)償器。

2無補(bǔ)償預(yù)熱安裝直埋敷設(shè)

無補(bǔ)償預(yù)熱安裝，即在回填土前將管道加熱到預(yù)熱溫度60℃～70℃，使管道預(yù)熱膨脹后再覆土，當(dāng)管道恢復(fù)到安裝溫度10℃時(shí)，管道受冷收縮，預(yù)承受一定的拉應(yīng)力；當(dāng)?shù)劳懂a(chǎn)運(yùn)行時(shí)，隨著溫度的升高管道的拉應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)達(dá)到預(yù)熱溫度時(shí)管道的應(yīng)力趨于零，當(dāng)管道繼續(xù)升溫產(chǎn)生壓應(yīng)力，隨著溫度的升高壓應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)溫度升至工作溫度時(shí)管道的熱應(yīng)力（壓應(yīng)力）達(dá)到最大。由于管道預(yù)熱安裝在10℃到預(yù)熱溫度受拉，而在預(yù)熱溫度到120℃（工作溫度）受壓，在整個(gè)運(yùn)行期內(nèi)管道的應(yīng)力在60℃～70℃時(shí)處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。此方法對(duì)施工質(zhì)量的要求較高，預(yù)熱費(fèi)用也比較大。雖不需加補(bǔ)償器，但需將管道加熱到60℃～70℃后方可回填，此種方式一般要大面積敞溝預(yù)熱。

3無補(bǔ)償冷安裝直埋敷設(shè)

無補(bǔ)償冷安裝就是指供熱管道的整體焊接溫度等于溝槽回填時(shí)的溫度，即管道焊接和溝槽回填等安裝過程都是在正常的環(huán)境溫度下進(jìn)行的。由于不需補(bǔ)償也無預(yù)應(yīng)力，這時(shí)的管道處零應(yīng)力狀態(tài)，在發(fā)生溫度變化時(shí)，管道產(chǎn)生的相應(yīng)的應(yīng)力和活動(dòng)端處的位移量都較大。按照設(shè)計(jì)原理通常把無補(bǔ)償敷設(shè)管道應(yīng)力驗(yàn)算分為兩類：一是彈性分析法，二是安定性分析法。一般來說用彈性分析法要按第四強(qiáng)度理論計(jì)算，即管道的工作溫差比管道的屈服溫差小，在這種情況下管道可以進(jìn)入錨固段，換一句話說，管道運(yùn)行最高溫度和安裝溫度，這兩者的差，比按強(qiáng)度條件計(jì)算的最大溫差小，在這種情況下長(zhǎng)直管段中一般就不用設(shè)補(bǔ)償器。

四、直埋無補(bǔ)償冷安裝技術(shù)在設(shè)計(jì)及施工中的關(guān)鍵點(diǎn)及相應(yīng)措施

1管道敷設(shè)

由于市區(qū)地下障礙物較多，穿越市區(qū)敷設(shè)的管道容易出現(xiàn)折角，在管道布置中可將大折角分解成幾個(gè)小角度折角進(jìn)行敷設(shè)。對(duì)于相距較近的折角，將其分解為小折角會(huì)比較困難，可采用大彎曲半徑的彎管來代替大折角，加大彎曲半徑可將彎管視為直管道，將應(yīng)力分散，從而避免折角處由于預(yù)應(yīng)力集中而產(chǎn)生低循環(huán)疲勞破壞或局部失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象。在我集團(tuán)采用直埋無補(bǔ)償冷安裝敷設(shè)的DN1200管網(wǎng)中，小于等于3°的折角采用5倍公稱直徑的彎曲半徑，小于等于5°的折角采用10倍公稱直徑的彎曲半徑，小于等于7°的折角采用20倍公稱直徑的彎曲半徑，小于等于10°的折角采用40倍公稱直徑的彎曲半徑，在實(shí)際運(yùn)行中效果顯著，未出現(xiàn)任何運(yùn)行事故。施工中，平面折角應(yīng)小于1°，另外豎向坡度變化應(yīng)該小于2%，這種情況下，管道可視為直管段。

用，從而降低成本，減少?gòu)濐^帶來的隱患，保證管網(wǎng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

2彎頭壁厚及彎曲半徑

彎頭作為直埋供熱管道的重要構(gòu)件，既是過渡段熱膨脹的自然補(bǔ)償器，又是管道系統(tǒng)受保護(hù)的元件。當(dāng)彎頭側(cè)壁較長(zhǎng)、曲率半徑較小、循環(huán)溫差較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生峰值應(yīng)力，發(fā)生低頻次的循環(huán)塑形變形，在循環(huán)一定次數(shù)后發(fā)生疲勞破壞。為了增加彎頭強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)中需使用大彎曲半徑的彎頭，所有大口徑直埋管道彎頭的彎曲半徑應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選取，一般為3倍～5倍公稱直徑，而且彎頭的壁厚比相同管徑的鋼管壁厚2mm，這樣可以增加彎頭的剛度，克服彎頭疲勞破壞。在我集團(tuán)的大型管網(wǎng)中，根據(jù)計(jì)算DN1200的彎頭均采用4倍公稱直徑的的彎曲半徑，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行效果良好。

3采用管材整體式預(yù)制保溫結(jié)構(gòu)

供熱管道可采用高密度聚乙烯預(yù)制保溫管及耐高溫的聚氨酯保溫材料，保證工作鋼管、聚氨酯泡沫塑料保溫層和高密度聚乙烯外護(hù)管緊密地連接成一個(gè)“三位一體”的結(jié)構(gòu)。當(dāng)管道溫度變化時(shí)，鋼管的熱脹冷縮變形可以通過保溫層傳到外護(hù)管，使外護(hù)管與周圍回填土之間發(fā)生滑動(dòng)，同時(shí)外護(hù)管上的土壤摩擦阻力又通過保溫層限制鋼管的熱脹冷縮變形。保溫接頭的處理，一般情況下在接口發(fā)泡時(shí)環(huán)境溫度不低于10℃，在接口鋼管表面兩側(cè)保溫端面不能存在水分油污等雜質(zhì)，預(yù)制直埋保溫管在現(xiàn)場(chǎng)切割后必須及時(shí)并徹底清潔鋼管表面，要確保沒有泡沫殘?jiān)拇嬖?，在保溫接頭的外套管和外護(hù)管連接時(shí)需要采用電熱熔焊及熱塑帶雙重做法。

4焊接及檢驗(yàn)要求

現(xiàn)場(chǎng)焊接及檢驗(yàn)也應(yīng)有較高的要求，現(xiàn)場(chǎng)焊接應(yīng)保證焊透，管徑大于或等于DN400的鋼管及管件焊接應(yīng)采用氬弧焊打底，并采用雙面焊。由于大口徑高參數(shù)無補(bǔ)償冷安裝集中供熱技術(shù)的技術(shù)要求高，為確保工程質(zhì)量，在管道焊接中，應(yīng)遵守國(guó)家的相關(guān)規(guī)定，在進(jìn)行鋼管及管件的焊接時(shí)，一般需采用氬氣保護(hù)焊打底雙面焊，同時(shí)要確保焊縫表面沒有裂紋，氣孔，夾渣等等缺陷的存在，同時(shí)不能有漏焊欠焊的情況。在我集團(tuán)上述工程中，要求施工單位必須采用超聲波100%探傷，射線20%復(fù)檢，復(fù)檢位置均為關(guān)鍵位置，如管件處、車行道下等。

5試壓、試運(yùn)行中的注意事項(xiàng)

在把管道正式投入使用前，對(duì)管道進(jìn)行試壓等是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。管道試壓：其試壓方式一般為水壓試驗(yàn)。所謂水壓試驗(yàn)就是在充水的同時(shí)打開放氣閥門使其排凈其中的空氣，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)相應(yīng)的環(huán)境溫度不應(yīng)低于10℃。試壓過程一般包括兩個(gè)方面：一是嚴(yán)密性試驗(yàn)，二是強(qiáng)度試驗(yàn)。我集團(tuán)的上述工程中，因管網(wǎng)的設(shè)計(jì)壓力為2.0MPa，在打壓實(shí)驗(yàn)中，采用高壓消防泵將管網(wǎng)壓力打至3.0MPa，并持續(xù)30min，檢查管網(wǎng)無漏點(diǎn)，完成打壓實(shí)驗(yàn)，證明管網(wǎng)是安全可靠的。

（作者單位：遼河油田建設(shè)有限公司）