發(fā)電廠直埋供熱管道的設(shè)計(jì)與施工探討

朱 濤，潘八慶

（江蘇宏鑫管道工程設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 無錫 214200）

近年來，供熱管網(wǎng)建設(shè)逐步成為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，是城市化進(jìn)程加快的重要標(biāo)志，也符合當(dāng)前城市可持續(xù)發(fā)展的理念。供熱管道敷設(shè)的方式具有多樣性，尤其是對(duì)發(fā)電廠的長距離輸送管道而言，直埋供熱管道敷設(shè)是一種應(yīng)用非常普遍的管道敷設(shè)技術(shù)，并且其可以獲得良好的使用效果，具有占地少、施工周期短、熱損小的特征。與其他管道敷設(shè)技術(shù)相比，該種施工技術(shù)的效益更高，可以保持發(fā)電廠良好的運(yùn)行狀態(tài)。

1 直埋供熱管道的設(shè)計(jì)方法

1.1 直埋供熱管道的荷載及應(yīng)力特征

在直埋管道實(shí)際的施工過程中，常常將所有使管道產(chǎn)生內(nèi)力或者應(yīng)力的因素稱為荷載，荷載超過規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)允許范圍就會(huì)導(dǎo)致管道的損壞。對(duì)供熱管道而言，溫度與壓力是引發(fā)荷載的重要因素，軸向位移會(huì)產(chǎn)生一定的軸向摩擦力，側(cè)向位移會(huì)對(duì)土壤產(chǎn)生一定的壓縮力。在供熱管道施工中，基于管道局部結(jié)構(gòu)的差異性，在一些局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域內(nèi)，往往會(huì)伴隨著應(yīng)力的過度集中現(xiàn)象，此時(shí)的應(yīng)力為峰值應(yīng)力，在一定的條件下，這種應(yīng)力分布狀態(tài)會(huì)引發(fā)管道的變形等現(xiàn)象。一旦在管道施工中存在循環(huán)變化的峰值應(yīng)力，管道內(nèi)部極易引發(fā)結(jié)構(gòu)性破壞，對(duì)管道的正常供熱等產(chǎn)生了極為不利的影響。另外，管道施工中，如果土壤對(duì)管道產(chǎn)生的支撐力較為均勻，在一定程度上也可以對(duì)管道起到必要的防護(hù)作用，使得管道施工中沒有產(chǎn)生自重彎曲應(yīng)力，避免了管道的損壞。從供熱管道的類型來看，其所使用的管道的公稱壁厚遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該壓力下管道的計(jì)算壁厚，而此時(shí)，管道內(nèi)壓產(chǎn)生的實(shí)際應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于管材本身的屈服應(yīng)力。與此現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)，如果管道中的熱脹變形的壓力無法及時(shí)釋放，就會(huì)使得管道內(nèi)存在較大的熱應(yīng)力，一旦超過管材本身可以承受的極限，就會(huì)引發(fā)管道的破裂與變形。因此，在直埋供熱管道的設(shè)計(jì)與施工中，溫度是需要考慮的主要因素。

1.2 杜絕直管破壞的設(shè)計(jì)對(duì)策

基于直埋供熱管道的荷載與應(yīng)力特征，在直埋管道的設(shè)計(jì)上，應(yīng)著眼于管道破壞的主要因素，采取必要的控制措施。

（1）避免循環(huán)塑形破壞的設(shè)計(jì)對(duì)策。管道溫度的變化會(huì)引發(fā)管道的應(yīng)力變化。具體而言，當(dāng)管道溫度處于循環(huán)的最高溫與最低溫變化狀態(tài)下時(shí)，其所產(chǎn)生的應(yīng)力波動(dòng)也較大，在這種情況下，極易引發(fā)循環(huán)塑性現(xiàn)象的發(fā)生。因此，管道溫度的變化是引發(fā)循環(huán)塑性現(xiàn)象的主要原因，無論是何種類型的管道都是如此。以熱水或者蒸汽直埋管道為例，在熱水管道安裝過程中，如果處于錨固狀態(tài)下的直管段滿足不發(fā)生循環(huán)破壞作用的安全性條件時(shí)，錨固狀態(tài)的管道允許安裝與使用，此時(shí)的安裝方式最好采用無補(bǔ)償安裝方式，反之就需要設(shè)置相應(yīng)的補(bǔ)償裝置，來實(shí)現(xiàn)管段應(yīng)力變化的調(diào)整，降低管道安裝過程中循環(huán)塑性破壞發(fā)生的可能性；而蒸汽直埋管道只要注意在外套管中留有足夠的空間，可使工作內(nèi)管在膨脹時(shí)不受或少受限制，應(yīng)力才可充分釋放。

（2）杜絕整體失穩(wěn)破壞的對(duì)策。直埋供熱管道的設(shè)計(jì)中，不僅要考慮循環(huán)塑性對(duì)管道的損害，還需要考慮管道的穩(wěn)定性。如果管道的穩(wěn)定性不足，也會(huì)引發(fā)管道的破壞，造成供熱系統(tǒng)的局部失穩(wěn)而發(fā)生事故。通常情況下，維持供水溫度在130℃左右，而管徑大小控制在DN500以下，實(shí)施無補(bǔ)償冷安裝方式管道基本不會(huì)發(fā)生循環(huán)塑性變形或者破壞。但是，當(dāng)管道的埋深在1m以上時(shí)，需要考慮管道的穩(wěn)定性情況，避免其安裝失穩(wěn)。如果要在安裝過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)彎頭、折角等部件的保護(hù)，在一些局部管段，往往需要設(shè)置補(bǔ)償裝置，采用有補(bǔ)償安裝方式。近年來，預(yù)應(yīng)力安裝方式可以有效應(yīng)對(duì)安裝失穩(wěn)問題，但是其安裝過程復(fù)雜、控制要求高、措施多，相應(yīng)的費(fèi)用也增加。因此，預(yù)應(yīng)力技術(shù)逐步被其他安裝方式所取代，比如可以通過增加覆土深度等來提升無補(bǔ)償直埋管道的穩(wěn)定性。

2 直埋供熱管道的施工手段

直埋管道安裝工藝較為復(fù)雜，在安裝過程中要對(duì)安裝方式加以科學(xué)選擇。通常，無補(bǔ)償?shù)陌惭b方式與有補(bǔ)償?shù)陌惭b方式有所區(qū)別。無補(bǔ)償應(yīng)盡量利用土壤對(duì)管段的自然約束，設(shè)計(jì)安裝時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大管道安裝深度，并在回填時(shí)對(duì)管段覆土進(jìn)行均勻的夯實(shí)以避免管段的失穩(wěn)；而有補(bǔ)償直埋則為了降低工程造價(jià)，盡量減小管道的埋深，讓管道的膨脹應(yīng)力通過補(bǔ)償器自然釋放，并可減少土建的開挖量。

2.1 直埋供熱管道的安裝對(duì)策

發(fā)電廠長距離輸送直埋供熱管道敷設(shè)中，由于管道中的應(yīng)力是熱脹變形無法釋放所產(chǎn)生的，因此，在管道安裝與施工過程中，必須通過應(yīng)用不同的安裝方式來改變這種現(xiàn)象。不同的安裝方式下，熱脹變形大小與變形的釋放程度可以得到調(diào)整與改變，改變管道原有的應(yīng)力分布狀態(tài)。對(duì)發(fā)電廠直埋供熱管道施工而言，由于熱脹變形大小與零應(yīng)力狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的溫度之間存在著緊密的聯(lián)系，通過對(duì)使用溫度與安裝溫度加以對(duì)比分析，此時(shí)發(fā)電廠管道安裝包含了冷安裝與預(yù)應(yīng)力安裝兩種。如果零應(yīng)力狀態(tài)下的溫度與安裝的環(huán)境溫度相等，采用冷安裝方式；而如果零應(yīng)力狀態(tài)下的溫度與預(yù)熱溫度相同，則采用預(yù)應(yīng)力安裝方式；根據(jù)熱脹變形的釋放情況，一般可以分為無補(bǔ)償與有補(bǔ)償安裝。

（1）無補(bǔ)償冷安裝。發(fā)電廠熱水管道直埋無補(bǔ)償安裝適合管道無截面、無方向變化的長直段直埋管段。在進(jìn)行管道的回填施工時(shí)，不需要進(jìn)行預(yù)應(yīng)力安裝與補(bǔ)償安裝，主要是由于溫度在變化的過程中，管段處于相對(duì)穩(wěn)定的錨固狀態(tài)。因此，從無補(bǔ)償冷安裝技術(shù)的應(yīng)用效果來看，這一安裝方式與其他安裝方式最為明顯的區(qū)別就是其安裝操作相對(duì)簡單，且安裝的成本較低。但是，此種安裝方式下，管道承受的應(yīng)力較大，如果安裝過程中管道的強(qiáng)度符合工程要求，這種安裝方式所取得的安裝效果明顯。

（2）有補(bǔ)償安裝方式。在發(fā)電廠直埋供熱管道的施工過程中，對(duì)于不滿足上述要求的熱水直埋及蒸汽直埋管道則更多地使用補(bǔ)償器補(bǔ)償技術(shù)。在這種安裝方式下，補(bǔ)償裝置周圍處于滑動(dòng)狀態(tài)下的管段屬于有補(bǔ)償安裝，補(bǔ)償器的存在會(huì)使得供熱管道安裝的總體成本上升，但相對(duì)來說大幅提高了電廠長距離供熱直埋管道的使用安全性。

（3）預(yù)應(yīng)力安裝方式。預(yù)應(yīng)力安裝方式普遍應(yīng)用于熱水直埋管道安裝中，在應(yīng)用的過程中實(shí)現(xiàn)了管道安裝溫度的調(diào)整。因此，從預(yù)應(yīng)力安裝技術(shù)的應(yīng)用效果來看，只有當(dāng)管道的安裝溫度與預(yù)熱溫度相同時(shí)，應(yīng)用預(yù)應(yīng)力安裝技術(shù)才最為有效，此時(shí)不存在管道應(yīng)力。一旦管道的安裝結(jié)束以后，預(yù)應(yīng)力安裝方式就可以充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)。一般情況下，預(yù)應(yīng)力安裝通常通過預(yù)熱與一次性補(bǔ)償相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)。預(yù)熱主要是在回填之前的過程，當(dāng)管道安裝溫度與預(yù)熱溫度相同時(shí)再開始回填處理，此安裝技術(shù)的核心是熱源供應(yīng)的充足性與及時(shí)性，管道安裝現(xiàn)場要存在管溝的敞口現(xiàn)象。而一次性補(bǔ)償安裝主要是發(fā)生于管道回填之后，一次加熱處理時(shí)，補(bǔ)償管的熱脹變形量與預(yù)熱溫度下的自由膨脹變形量等同時(shí)，方可進(jìn)行一次補(bǔ)償器的焊接。在溫度不斷變化的過程中，管道應(yīng)力的分布逐步均勻，從而實(shí)現(xiàn)了良好的預(yù)應(yīng)力效果。

2.2 直埋供熱管道的布置與敷設(shè)方式

（1）做好選材工作。對(duì)發(fā)電廠直埋供熱管道而言，由于其內(nèi)壓較低，這就使得如果內(nèi)壓導(dǎo)致總體一次薄膜應(yīng)力在允許值的50%以下時(shí)，管道破裂發(fā)生的可能性就相對(duì)較低。為保證管道敷設(shè)的整體質(zhì)量，保持供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，工程人員要加強(qiáng)對(duì)管道選材的管理，盡量選用受力均勻、塑性好的無縫鋼管。

（2）布置管道的方式。設(shè)計(jì)規(guī)范中明確規(guī)定了發(fā)電廠直埋供熱管道布設(shè)。在管道的布設(shè)上，施工單位要嚴(yán)格遵守其規(guī)定。如果發(fā)電廠直埋供熱管道施工中，穿越河底的覆土深度要充分考慮管道的穩(wěn)定性、水流沖刷等作用，管道上的閥門必須能夠承受其軸向荷載，因此，盡量應(yīng)用鋼制閥門，連接中采用焊接的處理方式。在管道的一些特殊位置，比如壁厚變化區(qū)域內(nèi)，要設(shè)置補(bǔ)償器等。同時(shí)，嚴(yán)格控制管道的安裝誤差，如表1所示。

表1 管道安裝誤差

3 結(jié)束語

發(fā)電廠為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展提供了所需的電力資源，供熱系統(tǒng)施工是發(fā)電廠施工的重要內(nèi)容。在供熱管道的安裝與布設(shè)上，必須遵循國家相關(guān)的安裝與布設(shè)要求，保證供熱管道在滿足安全性的前提下，對(duì)安裝方式加以科學(xué)選擇，保證安裝的整體效果，使得發(fā)電廠供熱管道可以發(fā)揮其應(yīng)有的作用。