供熱管道直埋敷設(shè)技術(shù)的探討

孫婧

（太原市熱力集團有限責(zé)任公司城西供熱分公司，山西太原 030000）

0 前言

相較于傳統(tǒng)的管溝敷設(shè)方式，利用直埋敷設(shè)技術(shù)進行室外供熱管道建設(shè)，不僅能夠提高施工的便捷性、節(jié)約施工投資，為管道維護工作降低難度，通過聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料發(fā)泡和高密度聚乙烯外保護層降低地溝敷設(shè)的熱損失，解決地溝敷設(shè)管道因保溫層開裂損壞或地溝泡水等因素而導(dǎo)致在長期運行中熱損失不斷提高的問題。由此可見，供熱管道直埋敷設(shè)技術(shù)是一種更加適用于供熱系統(tǒng)建設(shè)的施工技術(shù)，具有普遍應(yīng)用的價值。

1 供熱管道直埋敷設(shè)技術(shù)的方法

根據(jù)設(shè)計原理分類，直埋供熱管網(wǎng)管道應(yīng)力分析可分為彈性分析法與安定性分析法兩種。為了使直埋管網(wǎng)管道與管件能一直處于安全狀態(tài)，其強度與穩(wěn)定條件就必須得到保障，對管道所受的溫度和壓力進行分析，鋪設(shè)時綜合考慮管徑和管網(wǎng)走向，通過針對性的技術(shù)措施優(yōu)化其強度與穩(wěn)定條件。

1.1 無補償冷安裝直埋敷設(shè)

在無補償直埋敷設(shè)中，是通過應(yīng)力分類法對管道的強度進行驗算。不同特征的荷載對管道產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)和對管道破壞的影響不同進行應(yīng)力分類，針對不同應(yīng)力應(yīng)采取不同的措施進行強度條件控制。安定性分析法能對溫度應(yīng)力進行理論控制，只要管段的強度條件符合應(yīng)力分析條件，可實現(xiàn)在無補償器狀態(tài)下直管段溫度應(yīng)力的控制，其設(shè)計結(jié)果為不設(shè)或少設(shè)補償器和固定支架[1]。

1.2 有償冷安裝直埋敷設(shè)

在有補償直埋敷設(shè)中，所有荷載產(chǎn)生的應(yīng)力均是由彈性分析理論或極限分析理論進行強度控制，對應(yīng)力不進行分類，而是相互疊加所有荷載產(chǎn)生的應(yīng)力，但只進行綜合應(yīng)力對管道系統(tǒng)影響的計算[2]。彈性分析理論對載荷引起的應(yīng)力和應(yīng)變保證在彈性范圍內(nèi)，并給予足夠的安全富裕量作為限定值，確保管道任一截面總應(yīng)力皆小于材料本身的許用應(yīng)力。有償直埋敷設(shè)通過補償器吸收熱移位實現(xiàn)直管段溫度應(yīng)力的下降，其設(shè)計結(jié)果為固定支架和補償器的數(shù)量較多。

2 管道布置及存在的問題

2.1 管道布置

2.1.1 有補償直埋管道的布置形式

有補償直埋管道布置形式能夠有效的避免管道失穩(wěn)問題，利用補償器的方式來吸收管道受熱產(chǎn)生的熱位移從而降低直管段的溫度應(yīng)力。此敷設(shè)方式不會造成過高的熱量損失，使管材具有更高的使用壽命，更有利于管道的維護維修工作。但是，有補償直埋管道敷設(shè)這種方式會使管道與土壤間存在較大的摩擦應(yīng)力，且管道布置時補償器及支座會占據(jù)很大空間，使布置空間的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，會增加整個供熱管網(wǎng)項目的初投資，管網(wǎng)的運行維修成本也會相應(yīng)增加。有償直埋管道敷設(shè)中通過對管道進行細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽?yīng)力計算，充分利用轉(zhuǎn)彎處進行自燃補償。根據(jù)《城鎮(zhèn)供熱直埋管道技術(shù)規(guī)程（CJJT 81—2013）》表4.1.3 的要求，供熱管道的最小覆土深度應(yīng)滿足上述規(guī)定。根據(jù)現(xiàn)場實際情況若覆土深度不能滿足時，過街段、過河段可采取保護加固措施例如在過河過街薄弱段設(shè)置套管或管溝、在管道的上方可鋪設(shè)混凝土板等。

2.1.2 無補償直埋管道的布置形式

無補償直埋管道布置形式應(yīng)根據(jù)管道環(huán)境情況進行綜合考慮，根據(jù)安裝方式分為自燃補償、一次性補償安裝、預(yù)熱安裝、冷安裝。供熱管道的熱伸長受阻所形成的溫度應(yīng)力符合安定性分析的強度條件，基于對管道強度的衡量，可在長距離直管段上不進行補償器設(shè)置。自燃補償是通過管道的“L 型”“Z 型”的自然彎曲形狀所具有的柔性吸收管道的熱伸長量。一次性補償器內(nèi)的伸縮元件只能使用一次，一次性補償器內(nèi)的壓縮量與管道的熱伸長量相等。一般此方法適用于無法敞口對管道進行預(yù)熱的情況下。無補償預(yù)熱安裝是對管道進行提前加熱，當(dāng)管道溫度達到設(shè)定溫度時，會產(chǎn)生熱伸長，此時對管道進行焊接或回填。該安裝方式過程中焊接不是在常溫下進行，對施工質(zhì)量的要求很高。無補償冷安裝直埋敷設(shè)是指供熱管道的焊接以及溝槽回填等整個過程是在自然環(huán)境溫度下進行，此時管道無熱應(yīng)力，通常不需要在直管道上設(shè)置補償器和固定墩等。待整個管道開始運行后，管道所受的熱應(yīng)力逐漸增大，應(yīng)力計算過程很復(fù)雜，但應(yīng)力變化始終在允許的范圍內(nèi)，充分發(fā)揮管道自身的承載能力[3]。

2.2 管道敷設(shè)中存在的問題

2.2.1 直埋管道受力設(shè)計方法適用范圍不夠廣泛

《規(guī)程》中雖然規(guī)定了直埋管道受力設(shè)計方法，但該方法的適用范圍僅為供熱介質(zhì)溫度低于150℃，公稱直徑小于DN500mm的一體型預(yù)制保溫管。目前供熱系統(tǒng)所使用的供熱管道的規(guī)格已發(fā)展為公稱直徑DN1400mm，其管道工作壓力要求也相對較高。而《城鎮(zhèn)供熱直埋管道技術(shù)規(guī)程》以及很多設(shè)備廠商的樣本或者設(shè)計手冊中所給出的圖表和公式適用于工作壓力低、直徑小的管道，可能未必適用于直徑大、工作壓力高的直埋敷設(shè)管道的受力設(shè)計[4]。在進行直埋管道受力設(shè)計時，應(yīng)對現(xiàn)有公式與原理展開透徹分析，進一步分析大直徑管道的設(shè)計要點。

2.2.2 大直徑管道失效方式研究不夠深入

由于在管道內(nèi)發(fā)生失效的位置和情況都有所不同，失效方式也有所不同。直管、三通、彎頭、閥門等都有各自對應(yīng)的失效方式。當(dāng)前對于直埋管道受力設(shè)計方法中的失效方式只是考慮了其中的某一部分，例如在對直管的受力設(shè)計中，僅對小直徑直管段考慮了無限塑性變形破壞、整體垂直失穩(wěn)的情況，忽視了局部失穩(wěn)。對于直徑較大、工作壓力較高的管道，這一情況不可忽視。設(shè)計時應(yīng)結(jié)合實際情況，對管道失效方式做出分析與驗算，確保管道受力的設(shè)計能科學(xué)合理。

3 直埋供熱管網(wǎng)施工

3.1 管道溝槽的要求

土方工程在供熱管道直埋無補償冷安裝設(shè)計和施工過程中，是一個非常重要的環(huán)節(jié)。在有關(guān)供熱管網(wǎng)土方施工工程的許多案例中顯示，溝槽基底的回填土若沒有按照設(shè)計要求進行回填，會造成溝槽基底出現(xiàn)不牢固情況，此時若將管道直接吊裝進行安裝，管道底部的沉降不均勻，致使管底無法與溝底之間實現(xiàn)緊密接觸，會造成整段管底局部出現(xiàn)懸空的現(xiàn)象[5]。焊接管道時，若使用抬高管道強制對口焊接的方法，使管底懸空，導(dǎo)致管道失去均衡的支持力，管道焊口處會出現(xiàn)開裂漏水的現(xiàn)象，這些對供熱管網(wǎng)的安全運行都存在負(fù)面影響，因此，供熱管道直埋無補償冷安裝施工中需要采取有效的措施予以解決。

3.2 管材要求

對于一次網(wǎng)來說，供水設(shè)計溫度一般控制在130℃，這對管道有著很高的要求，輸送介質(zhì)的溫度高，所以保溫材料除了要具備較低的導(dǎo)熱系數(shù)，還要具備足夠的耐溫性能、良好的防水性能，確保其在高溫狀態(tài)下能正常運行，否則因高溫導(dǎo)致保溫材料出現(xiàn)碳化，影響保溫性能[6]。實際的工程中，我們常用的保溫管和保溫彎頭是預(yù)制的，已在工廠提前做好鋼管內(nèi)層、聚氨酯硬質(zhì)泡沫的發(fā)泡、高密度聚乙烯外保護層的防腐加固處理。輸送距離長，輸送介質(zhì)溫度高，受到熱脹冷縮的影響，保溫管的外保護層所承擔(dān)的摩擦力很大，因此，外保護層與保溫層、保溫層和鋼管之間的結(jié)合力要很強，確保能夠?qū)崿F(xiàn)“三位一體”。當(dāng)管道內(nèi)溫度出現(xiàn)變化時，鋼管受到熱脹冷縮的影響產(chǎn)生變形，透過保溫層傳到外保護層，外保護層和周圍回填土之間會產(chǎn)生相運動，產(chǎn)生很大的摩擦力。此時，外保護層所受的土壤摩擦力又能通過保溫層對鋼管的熱脹冷縮的變形起到限制作用。一次管網(wǎng)直埋管道主干線、支干線、支線上設(shè)置的關(guān)斷閥門、分段閥門、放氣閥門和泄水閥門應(yīng)選用質(zhì)量可靠的金屬硬密封焊接式球閥和蝶閥。

3.3 管件的選擇

無補償直埋管道運行過程中涉及的所有管道管件都要承受巨大的荷載，彎頭、三通、閥門等處可能會出現(xiàn)疲勞破壞現(xiàn)象，特別是彎頭處，要承受巨大的環(huán)向應(yīng)力，需對這些應(yīng)力集中部位進行強度驗算。若強度超出了管件自身結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力，此時需考慮設(shè)固定墩或者補償器減少對這些管件的損壞。三通處可選用肋板加強式的結(jié)構(gòu)，特殊角度大折角處可把大折角分解為幾個常用小角度的彎頭相連接，也可根據(jù)實際情況選擇大彎曲半徑的彎頭進行替代。

3.4 強度試驗、嚴(yán)密性試驗

一級管網(wǎng)要求進行100%無損探傷，低區(qū)管網(wǎng)即二級管網(wǎng)進行30%無損探傷，且相對應(yīng)的射線探傷必須不小于現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/12605Ⅲ級和Ⅱ級要求。無損探傷合格之后，按《規(guī)范》要求，一級管網(wǎng)和二級管網(wǎng)均應(yīng)進行強度試驗和嚴(yán)密性試驗。水壓試驗過程中若發(fā)生泄漏跑水現(xiàn)象，應(yīng)先泄水待漏點處理后再重新進行水壓試驗，不得帶壓處理。嚴(yán)密性試驗應(yīng)詳細(xì)排查管道、焊縫、管件、設(shè)備等處保證無滲漏為合格。試驗合格后進行分層回填。

4 結(jié)論

綜上所述，供熱管道直埋敷設(shè)技術(shù)是一種相對先進的技術(shù)，在應(yīng)用過程中有著非常顯著的經(jīng)濟效益，對于供熱節(jié)能有著極為突出的貢獻，本文針對供熱管道直埋輻射技術(shù)進行深入探討，采取有效的完善措施，使其在應(yīng)用過程中更加高效、顯著。