淺談城鎮(zhèn)集中供暖高溫?zé)崴甭窆艿拦こ痰脑O(shè)計(jì)與施工

王 浩，王浩祥

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

直埋供熱管道的施工方式，主要是將供熱管道敷設(shè)于地表以下，既可減少對(duì)地面上空間資源的的浪費(fèi)，也減少了對(duì)城市景觀的影響。由于管道埋設(shè)于地下，因此在施工過(guò)程中會(huì)有許多不便，對(duì)施工人員技術(shù)水平要求也較高，并且后期的維護(hù)也會(huì)更加煩瑣。為減少工程建設(shè)的后期維護(hù)工作，對(duì)供暖管道工程進(jìn)行良好設(shè)計(jì)與施工具有十分重要的意義。

1 直埋供熱管道的應(yīng)用特點(diǎn)

在目前的市場(chǎng)上，直埋式供熱管道的種類(lèi)很多，不同的管材在性能上也存在著很大的差異，尤其是采用聚氨酯泡沫預(yù)制直埋保溫管。通過(guò)對(duì)這種管材的廣泛使用，我們可以得到如下結(jié)論：它本身不但隔熱能力強(qiáng)，滿(mǎn)足了供熱管線的需要，而且還具有防腐、防水等特點(diǎn)[1]。在實(shí)際施工中，由于施工方便，可以有效地減少整個(gè)項(xiàng)目的工期，減少施工單位的成本。同時(shí)，通過(guò)實(shí)踐證明，這種管材的使用壽命比常規(guī)的管材要長(zhǎng)，這種管材不僅具有良好的隔熱效果，而且其導(dǎo)熱率也低于其他管材，而且還具有很好的環(huán)境保護(hù)作用，更加符合當(dāng)前的綠色發(fā)展思想。

結(jié)合輸送介質(zhì)的技術(shù)要求，供熱鋼管可采用有縫鋼管、無(wú)縫鋼管、雙面埋弧螺旋焊接鋼管等進(jìn)行施工。直埋的熱力管道內(nèi)壓一般比較低，內(nèi)壓引起的應(yīng)力不足的狀態(tài)下，允許值在50%左右。直接爆破破壞的可能性比較小，最大可能是溫度應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致塑性疲勞破壞。因此，在選擇管材的過(guò)程中，則需要從抗疲勞性的角度進(jìn)行分析，所以，要選擇塑性比較好、容易焊接的材質(zhì)，一般選擇20#鋼為最適宜。軸向溫度應(yīng)力變化與管壁橫截面積的大小沒(méi)有關(guān)系，增加壁厚并不能降低管壁內(nèi)的軸向應(yīng)力。相反，可能會(huì)增加對(duì)固定墩的推力以及過(guò)渡段的熱伸長(zhǎng)量。因此，管壁可盡可能選擇比較合適的規(guī)格、厚度材料進(jìn)行施工。

2 直埋供熱管道的分類(lèi)

2.1 直管和彎管

直管部分：該直線段還可以稱(chēng)為過(guò)渡段或錨固段（也可以稱(chēng)為無(wú)補(bǔ)償管段、嵌固段）。過(guò)渡部分：管道部分的實(shí)際活動(dòng)能力可以更好的解決管道內(nèi)部的限制反作用力，從而有效的將所有的熱膨脹都給釋放出來(lái)。在過(guò)渡部分，通常都會(huì)有一個(gè)自由的末端，可以隨意的伸縮，例如補(bǔ)償器、彎曲件，以及其他的一些材料。過(guò)渡段的最長(zhǎng)長(zhǎng)度取決于土壤的實(shí)際摩擦力，也取決于實(shí)際的安裝方式，以及周?chē)沫h(huán)境。彎曲的部分。L 型管道與溝槽之間的鋪設(shè)工作可以采用L 型架空方式，這與自然補(bǔ)償裝置相比有很大相似[2]。至于Z 型管，一般都可以用兩個(gè)L型的補(bǔ)償裝置來(lái)完成，但必須要考慮到兩個(gè)L 型的管子，在合適的情況下，Z 型補(bǔ)償器就可以進(jìn)行相應(yīng)的施工。

2.2 有補(bǔ)償管段和無(wú)補(bǔ)償管段

由于補(bǔ)償器可以有效地補(bǔ)償在過(guò)渡段內(nèi)的管子所引起的熱膨脹，所以該過(guò)渡段也被稱(chēng)為有補(bǔ)償?shù)墓芏?。而沒(méi)有補(bǔ)償?shù)墓芏危瑒t是因?yàn)樵阱^固段內(nèi)的熱脹率達(dá)到了一定的極限，所以可以通過(guò)補(bǔ)償器來(lái)補(bǔ)償管道里面的熱膨脹[3]。

3 高溫?zé)崴甭窆峁艿澜Y(jié)構(gòu)的確定

高溫?zé)崴甭窆芫€是直接埋在地下的，其自身也起到了承載和隔熱的作用。但哈爾濱地區(qū)，尤其是沿河一帶，地下水位高，土壤濕度大，對(duì)保溫結(jié)構(gòu)有很高的要求，應(yīng)具有良好的防水、防腐蝕、保溫、耐高溫、具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和易于施工的特點(diǎn)。所以，對(duì)于高溫?zé)崴艿赖闹甭袷奖毓艿溃瑧?yīng)采取復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)。高溫?zé)崴甭癖毓艿赖膹?fù)合保溫結(jié)構(gòu)包括：高溫?zé)崴?、螺旋鋼管、耐高溫防腐層、保溫層和防護(hù)層。采用GF 防腐涂層對(duì)高溫?zé)崴甭癖毓艿肋M(jìn)行了防腐處理，保溫材料為聚氨酯泡沫，保護(hù)層為聚乙烯（polyethylene, PE）或纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（fiber-reinforced polymer, FRP）外套管。高溫?zé)崴甭窆艿缽?fù)合絕熱結(jié)構(gòu)是指利用聚氨酯泡沫材料具有較好的隔熱、防水性能；通常采用3～5mm厚的玻璃鋼或5～10mm 的聚乙烯外套管，F(xiàn)RP 可以通過(guò)機(jī)械或人工進(jìn)行，成本低廉，防水效果好，可以加工成任何直徑的管材，并且可以防止在大直徑時(shí)出現(xiàn)縱向裂紋。在絕熱接頭處，必須嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)范進(jìn)行加熱和保溫。

4 直埋管道的設(shè)計(jì)與施工

4.1 管道布置

直埋的暖氣管道在對(duì)河床進(jìn)行覆蓋的時(shí)候，具體的深度要根據(jù)水流的實(shí)際情況和管道的穩(wěn)定性來(lái)決定。而直埋式供暖管道與裝置的實(shí)際水平或垂直中的實(shí)際間距必須按照有關(guān)的規(guī)范要求來(lái)確定。直埋供熱管道的布置要符合國(guó)家現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)《城市熱力網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，在管道布置中，保證管道布置的盒里，并對(duì)管道敷設(shè)的可行性以及安全性等進(jìn)行評(píng)估。熱力網(wǎng)的布置則需要阿紫城市建設(shè)規(guī)劃的指導(dǎo)下，分析熱負(fù)荷的分布、熱源的位置，并從地下管線與構(gòu)筑物的角度，對(duì)直埋管道的布置與規(guī)劃進(jìn)行完善，結(jié)合熱負(fù)荷的分布、熱源的位置，與地上、地下管線與構(gòu)筑物之間建立有效的關(guān)聯(lián)，對(duì)直埋管道的布置合理性、科學(xué)性提升等方面有促進(jìn)作用。

4.2 管道敷設(shè)

直埋的供暖管道應(yīng)該采取自然的角度補(bǔ)償，10°～60°的彎頭是不能有效的；管道的斜率不能低于2%，高的位置應(yīng)該設(shè)置閥門(mén)，低的位置應(yīng)該設(shè)置排水閥門(mén)。管子里面的平面角度要比指定的尺寸小，這種變化對(duì)管道的影響是很大的，因?yàn)楣艿赖闹睆皆酱?，這種彎角就越小。為了確保直埋管在垂直方向上的穩(wěn)定性，必須要達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范。如果必須減少管道的軸向作用力，則可以采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施或是其他較為有效的辦法。直埋供熱管道的敷設(shè)是根據(jù)長(zhǎng)直管段是否允許出現(xiàn)無(wú)補(bǔ)償管道，在直埋管道敷設(shè)的過(guò)程中，在調(diào)整補(bǔ)償裝置間距的基礎(chǔ)上，對(duì)管段的應(yīng)力變化進(jìn)行控制，提高直埋供熱管道敷設(shè)的綜合水平。直埋供熱管道的敷設(shè)要盡可能的減少管道軸向力，利用補(bǔ)償器對(duì)管道進(jìn)行預(yù)處理，并通過(guò)管道敷設(shè)與補(bǔ)償裝置處理，提高敷設(shè)熱力管道的綜合處理水平。在管道敷設(shè)處理的過(guò)程中，則需要根據(jù)溫度應(yīng)力變化，對(duì)直埋供熱管道的塑性進(jìn)行檢驗(yàn)，在直埋供熱管道作用與應(yīng)力變化分析下，對(duì)溫度、壓力的大小等進(jìn)行評(píng)估啊，通過(guò)荷載作用分析，提高直埋管道的綜合施工控制水平。在直埋供熱管道的局部結(jié)構(gòu)分析中，課從循環(huán)變化以及彎曲應(yīng)力變化的角度進(jìn)行分析，在直埋供熱管道的敷設(shè)中，課對(duì)熱應(yīng)力變化以及管道敷設(shè)等進(jìn)行優(yōu)化，提高直埋供熱管道的敷設(shè)水平提升。

4.3 直埋供熱管道安裝

由于在初步設(shè)計(jì)階段，埋地管線的實(shí)際斜率必須在2%以上。這種情況下可以對(duì)閥門(mén)進(jìn)行正確的安裝，確保安裝排水閥。有些管道需要安裝支管，所以要根據(jù)實(shí)際情況，在支管上安裝一個(gè)固定樁，或者是一個(gè)軸向補(bǔ)償器。埋地管線的承重必須要達(dá)到最大的承載能力，目前大多數(shù)采用的都是鋼鐵閥門(mén)，一般都是采用焊接。一般情況下，固定裝置和補(bǔ)償裝置的安裝位置都是在管道內(nèi)發(fā)生了很大的變化，然后在安裝固定支架的時(shí)候，在管道的厚度比較大的地方進(jìn)行安裝。一般的管道，都是用手來(lái)進(jìn)行焊接，需要有經(jīng)驗(yàn)的工人來(lái)完成。在進(jìn)行焊接的時(shí)候，必須要保證焊接的質(zhì)量，而且在完成了焊接的時(shí)候，還要仔細(xì)的檢查一下焊接的質(zhì)量，然后再進(jìn)行下一步的工作。

4.4 管道保溫、試運(yùn)行

在完成相應(yīng)的小試驗(yàn)和安裝工作后，還要進(jìn)行相應(yīng)的保溫處理。首先，直埋式供暖管道的關(guān)鍵在于它的隔熱性能，在相同的管路中，要確保整體的隔熱效果，所選用的保溫材料一定要相同；其次，在安裝之前，清潔完畢后，要對(duì)管道進(jìn)行干燥，確保管道內(nèi)不會(huì)有任何雜質(zhì)，而且不會(huì)有過(guò)多的水分。目前，回填區(qū)分為人工回填和機(jī)械回填兩種，為了節(jié)省人力，一般都會(huì)采用機(jī)械回填?；靥罟茴^的回填量有很高的要求，如果采用機(jī)械回填，則會(huì)影響回填的力量，因此，對(duì)于管頂，應(yīng)采用人工回填，以取得最佳的回填效果。在回填過(guò)程中，會(huì)對(duì)管線造成一定的壓力，必須確保管線的兩端都要進(jìn)行充填，這樣就不會(huì)出現(xiàn)一方回填給出的壓力，從而造成管線的位置偏差，在實(shí)際運(yùn)行之前，直埋供熱管線必須進(jìn)行試運(yùn)行，并對(duì)其進(jìn)行全面的質(zhì)量檢測(cè)。

4.5 砂層回填

在進(jìn)行回填時(shí)，所采用的原材料為砂，在進(jìn)行回填時(shí)，應(yīng)確保砂的質(zhì)量、尺寸、干濕度符合有關(guān)規(guī)定。在進(jìn)行回填前，要嚴(yán)格控制回填過(guò)程中所用的泥土，不允許有破碎的混凝土和碎石，同時(shí)要做好土壤的密度試驗(yàn)，不能用凍土、淤泥等。在回填區(qū)的施工中，每一次回填結(jié)束后，都要進(jìn)行一次密度試驗(yàn)，每一次的密度都達(dá)到了要求，才能進(jìn)行下一步的工作。在對(duì)中段進(jìn)行回填時(shí)，應(yīng)確保管線的位置不會(huì)出現(xiàn)偏差。在回填完畢后，還要由專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員檢查整個(gè)回填層的密度和高度，回填層的厚度不得小于200mm，回填層的密度不得小于95%。

4.6 直埋供熱管道的施工安裝

直埋供熱管道的應(yīng)力是熱脹變形導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力被破壞，影響直埋供熱管道的安裝與應(yīng)用水平。因此，選擇不同的安裝方式，可以改變熱脹變形的大小以及變形釋放程度，并改變直埋供熱管道的應(yīng)力水平。熱脹變形的大小以及零應(yīng)力狀態(tài)，與直埋供熱管道的溫度變化有直接的關(guān)系，在這一過(guò)程中，零應(yīng)力狀態(tài)溫度的提高，可以相對(duì)降低直埋供熱管道的熱脹變形尺寸。結(jié)合直埋供熱管道的溫度變化，可以從冷安裝以及有補(bǔ)償安裝的方式進(jìn)行處理，在實(shí)際安裝的過(guò)程中，冷安裝是零應(yīng)力狀態(tài)下，直埋供熱管道的溫度與環(huán)境溫度保持相對(duì)一致，預(yù)應(yīng)力安裝則是在零應(yīng)力的狀態(tài)下，根據(jù)直埋供熱管道的熱脹變形狀態(tài)，對(duì)補(bǔ)償裝置之間的關(guān)系以及滑動(dòng)狀態(tài)等進(jìn)行檢驗(yàn)與分析，在利用補(bǔ)償裝置的基礎(chǔ)上，分析直埋供熱管道的熱脹變形狀態(tài)，利用預(yù)制保溫管直埋敷設(shè)的方式，提高直埋供熱管道敷設(shè)的安全性。在對(duì)直埋供熱管道敷設(shè)設(shè)計(jì)與安裝等進(jìn)行優(yōu)化中，則需要對(duì)直埋供熱管道的應(yīng)力集中變化以及固定增效變化等進(jìn)行檢驗(yàn)與分析，通過(guò)補(bǔ)償裝置的應(yīng)用，對(duì)直埋供熱管道的敷設(shè)安裝過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，提高直埋供熱管道敷設(shè)安裝水平。

5 直埋供熱管道防破壞的有效手段

5.1 循環(huán)塑性破壞

管道溫度在管道工作循環(huán)中，最高溫度與最低溫度發(fā)生變化中，所產(chǎn)生的應(yīng)力變化是循環(huán)塑性破壞的關(guān)鍵因素。錨固狀態(tài)以及滑動(dòng)狀態(tài)的管道，應(yīng)力變化與安裝環(huán)境溫度之間沒(méi)有明顯關(guān)系，預(yù)應(yīng)力安裝的過(guò)程中，則需要解決循環(huán)塑性唄破壞的問(wèn)題。錨固狀態(tài)的直管段無(wú)法滿(mǎn)足循環(huán)塑性破壞安定性條件中，錨固狀態(tài)的管道可以通過(guò)無(wú)補(bǔ)償安裝的方式進(jìn)行施工。在直管段設(shè)置補(bǔ)償裝置，則需要通過(guò)對(duì)補(bǔ)償裝置的間距進(jìn)行調(diào)整，控制直埋供熱管道的應(yīng)力變化，對(duì)提高直埋供熱管道的補(bǔ)償安裝控制水平有促進(jìn)作用。

5.2 防止疲勞被破壞

疲勞破壞是管道的局部位置，由于應(yīng)力集中導(dǎo)致局部循環(huán)塑性變形，影響直埋供熱管道的實(shí)際應(yīng)用效果。直埋供熱管道的彎頭、折角、變徑以及三通等管件會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中的情況，從溫度以及壓力變化的角度進(jìn)行分析，應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致峰值應(yīng)力出現(xiàn)變化，在局部范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生循環(huán)塑性變形的情況，導(dǎo)致疲勞破壞。直埋供熱管道出現(xiàn)疲勞破壞與應(yīng)力變化有直接關(guān)系，峰值應(yīng)力變化范圍越大，疲勞破壞的時(shí)間也會(huì)越短，這會(huì)出現(xiàn)局部開(kāi)裂、漏水等問(wèn)題，對(duì)疲勞強(qiáng)度控制以及直埋供熱管道的運(yùn)行狀況等會(huì)產(chǎn)生直接的影響。疲勞破壞問(wèn)題，可通過(guò)固定墩加固以及補(bǔ)償器補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行防治，提高直埋供熱管道的安裝與應(yīng)用效果。

5.3 失穩(wěn)破壞問(wèn)題分析

直埋供熱管道的設(shè)計(jì)中，在遵循循環(huán)塑性破壞原則下，還需要對(duì)穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行分析，并從管道溫度的角度，對(duì)管道溫度變化以及失穩(wěn)狀態(tài)等進(jìn)行分析。在冷安裝的條件下，錨固的直管段滿(mǎn)足穩(wěn)定條件下，可利用無(wú)補(bǔ)償冷安裝的方式進(jìn)行安裝。供水溫度在130℃以下，管徑不大于DN500 的熱網(wǎng)，通過(guò)無(wú)補(bǔ)償冷安裝的方式進(jìn)行施工。直埋供熱管道埋深1m 以下，保證直埋供熱管道的穩(wěn)定性。從三通、彎頭、折角、大小頭、閥門(mén)等角度進(jìn)行分析中，則可通過(guò)補(bǔ)償裝置的應(yīng)用，解決直埋供熱管道的穩(wěn)定性問(wèn)題，與此同時(shí)，通過(guò)增加覆土深度的方式，提高直埋供熱管道敷設(shè)的穩(wěn)定性。

6 結(jié)語(yǔ)

直埋供熱管線的施工工序較多，其施工工藝及安裝工序較為煩瑣，且安裝后的探傷檢測(cè)要求較高。在施工過(guò)程中，施工人員要熟悉施工過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，熟悉每一步的安裝過(guò)程，只有這樣才能在不斷的工作中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)彌補(bǔ)不足。另外，施工人員也要在施工中不斷借鑒最新科技，合理應(yīng)用新技術(shù)，減少施工難度，提高整個(gè)工程質(zhì)量。