大管徑長輸熱網(wǎng)特殊節(jié)點(diǎn)處理及保溫管道設(shè)計(jì)

閆雪嬌

摘 要：以某長輸供熱管網(wǎng)工程為主要研究對象，分析長輸熱網(wǎng)特殊節(jié)點(diǎn)處理和保溫管道設(shè)計(jì)，管道特殊節(jié)點(diǎn)主要包括河流節(jié)點(diǎn)、穿越城市道路、鐵路等環(huán)境；而保溫管道設(shè)計(jì)主要有外保護(hù)層、保溫層制造工藝選擇、壁厚選型、工作管鋼材選型等環(huán)節(jié)組成?；诖?，合理控制管道材料、鋼管壁厚、應(yīng)力計(jì)算等，增加管道的保溫性能。試驗(yàn)表明：當(dāng)管道材料高于DN250、敷設(shè)方式選擇直埋方式時(shí)，能有效控制鋼板滑動支架和閥門表面溫度，延長管道使用年限。

關(guān)鍵詞：長輸熱網(wǎng)；穿越；工作管；外護(hù)層；保溫結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TQ341

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-5922（2023）07-0194-03

Treatment of special nodes of large diameter and long heat transmission network and design of thermal insulation pipeline

YAN Xuejiao

（Beijing Changhua Survey and Design Co.，Ltd.，Beijing 100043，China

）

Abstract：Taking? a long-distance district heating pipeline project as an example，the special node treatment and insulation pipe design of long distance heating net work was analyzed.Special pipeline nodes mainly include river nodes，roads crossing cities，railways，etc.The design of thermal insulation pipeline mainly includes the selection of outer protective layer，manufacturing process of thermal insulation layer，selection of wall thickness，selection of working pipe steel and so on.To achieve this，the study emphasizes the need to properly control the pipeline material，the thickness of the steel pipe，and stress calculations to enhance the insulation performance of the pipeline. Results showed that when the pipeline material was higher than DN250，and the direct burial method was selected as the laying method，it could effectively control the surface temperature of the steel plate sliding support and valves，thus extending the lifespan of the pipeline.

Key words：long-distance heat transmission network;crossing;working pipe;outer sheath;thermal insulation structure

目前，北京市城區(qū)外主熱源到主城區(qū)長輸熱網(wǎng)項(xiàng)目之間的總長度為17.5 km，其中DN900主干線長度為5 km，DN1200主干線長度為12.5 km，回水溫度60 ℃、供水溫度、設(shè)計(jì)壓力2.0 MPa。針對該種情況，工作人員將供熱管道鋪設(shè)置非機(jī)動車道下面，通過直埋鋪設(shè)方式進(jìn)行鋪設(shè)，該項(xiàng)目從2018年3月正式開始設(shè)計(jì)，一直到同年的11月份全面投入運(yùn)行。本文根據(jù)項(xiàng)目基本情況，全面分析長輸熱網(wǎng)特殊節(jié)點(diǎn)處理方式，加強(qiáng)保溫管道設(shè)計(jì)工作［1］。

1 特殊節(jié)點(diǎn)處理

1.1 穿越城市道路

主干線與城區(qū)道路連接處6處。供熱管道穿越城市道路時(shí)，主要采用人工頂管方式施工，其人工頂管施工成本較機(jī)械頂管成本低，可應(yīng)用于大卵石地面，優(yōu)點(diǎn)是噪音小，施工方便。此外，工作人員在過路供熱管道中采用供、回水管道，并利用鋼質(zhì)外護(hù)套管方式進(jìn)行全面保護(hù)，DN900管道應(yīng)用D1520×18鋼套管；DN1200管道采用D1820×20鋼套管［2］。

1.2 穿越鐵路

在穿越鐵路施工過程中，要提前上報(bào)到政府部門進(jìn)行審批，等到審批合格后才能正式進(jìn)行施工操作。利用現(xiàn)有鐵路預(yù)留箱函穿越供熱管線，再用D1520×22螺旋焊縫鋼管作為外護(hù)套，分設(shè)鋼質(zhì)外護(hù)套，供、回水管線；鋼材使用的是L360；采用3PE加強(qiáng)級外防腐的管道外壁；采用噴鋅工藝處理管內(nèi)壁；輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮套，用于外護(hù)套焊縫接頭處的防護(hù)。同時(shí)，要建立犧牲陽極的陰極保護(hù)措施，保證外護(hù)套的使用壽命，再用C30混凝土將箱涵與外護(hù)套之間的空隙填滿，當(dāng)所有的穿越過程全部完成時(shí)，就完成了對箱涵的封堵［3］。

1.3 穿越河流

穿河供暖管道是利用C30鋼筋水泥箱涵進(jìn)行穿越作業(yè)，在河道沖刷深度下2 m處設(shè)置箱涵。這樣的渡江方式，對河道不會造成任何遮擋，對河道行洪也沒有任何作用。由于河道松軟，在進(jìn)行箱涵基礎(chǔ)處理時(shí)，混凝土支模澆筑工作仍無法通過常規(guī)的方式實(shí)現(xiàn)，盡管已經(jīng)采取了降水措施。因此，在過江工程中，可采用拋石擠淤處理地基的技術(shù)，選取直徑300 mm以上的石塊，從高邊坡腳填入低邊坡腳，待石塊露出江底淤泥后，再用小石塊平整后，再進(jìn)行地基處理［4］。

2 大管徑長輸熱網(wǎng)保溫管道的安全狀態(tài)

2.1 應(yīng)力驗(yàn)算

（1）一次應(yīng)力是指管道在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生應(yīng)力和外在持續(xù)力，工作人員最常用彈性分析和極限分析進(jìn)行應(yīng)力分析。同時(shí)，在計(jì)算應(yīng)力驗(yàn)時(shí)，要確保應(yīng)力當(dāng)量應(yīng)力低于鋼基本應(yīng)力。（2）二次應(yīng)力是指管道受抑制而產(chǎn)生的應(yīng)力，其中熱脹冷縮應(yīng)力最為常見，是具有變形自限性特征，工作人員要利用安定性計(jì)算對應(yīng)力。而安定性表示結(jié)構(gòu)在未產(chǎn)生任何塑性變形時(shí)，管材自身殘留應(yīng)力狀態(tài)下，經(jīng)有限塑性變形后，仍可在彈性狀態(tài)下穩(wěn)定下來。但在計(jì)算應(yīng)力性考試時(shí)，工作人員要先計(jì)算溫度基本許用應(yīng)力，其一次應(yīng)力和二次應(yīng)力數(shù)量和低于鋼材3倍。（3）尖頂應(yīng)力是指因局部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不連續(xù)熱應(yīng)力作用，無形中增加管道上所產(chǎn)生的應(yīng)力數(shù)量。其特點(diǎn)是不會造成明顯的變形，必須根據(jù)管道的整個(gè)使用期限所受的循環(huán)荷載進(jìn)行疲勞性分析，這是一種可能導(dǎo)致疲勞裂紋或脆性破壞的原因。但是，對于低循環(huán)次數(shù)的供暖管道，可以使用簡化公式，計(jì)入應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算，例如在管道上出現(xiàn)峰值應(yīng)力的三通、彎頭等局部應(yīng)力集中的地方。應(yīng)力性考試的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)是：計(jì)算溫度下鋼材基本許用應(yīng)力不應(yīng)大于一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力的3倍。因此，新規(guī)程增加了對管徑大于500 mm管材進(jìn)行局部穩(wěn)定性驗(yàn)算和徑向穩(wěn)定性驗(yàn)算的規(guī)定。通過規(guī)程規(guī)定的驗(yàn)算方式，只會出現(xiàn)上述幾種破壞形式，待條件具備后，管材才會處于安全狀態(tài)。

2.1.1 穩(wěn)定性驗(yàn)算

由于受到管壁受力狀態(tài)影響，其從原本壓應(yīng)力平衡向受彎曲應(yīng)力平衡方向發(fā)展，這種全新的平衡方式在外壓作用下，往往管道的強(qiáng)度足夠，但突然失去了原來的形狀這就叫不穩(wěn)定，甚至不穩(wěn)定失效。當(dāng)埋設(shè)管道的介質(zhì)溫度升高，管道中就產(chǎn)生了軸向壓力，管道就有傾向于凸出，使管道向軸的法線彎曲，這種傾向就叫做管道的整體不穩(wěn)定。埋地管道正常情況下在地下保持穩(wěn)定，是因?yàn)楣艿乐車型寥赖募s束。受壓管道在橫向約束最弱的區(qū)域內(nèi)失去穩(wěn)定性，當(dāng)周圍土壤約束力較小或因周圍開挖而減小時(shí)。豎向不穩(wěn)定和設(shè)計(jì)不規(guī)范具有直接聯(lián)系，工作人員要在豎向穩(wěn)定性驗(yàn)算公式中進(jìn)行計(jì)算，并給出準(zhǔn)確要求。

2.2 保溫管道設(shè)計(jì)

2.2.1 工作管

鋼材。針對城市供熱直埋熱水管道設(shè)計(jì)過程中，要利用DN250以上使用螺旋焊縫鋼管，常用鋼材有L290、Q235B、Q335N；而面對DN200及以下則采用無縫鋼管，選擇20鋼。從化學(xué)成分角度分析，L290和Q335B的各項(xiàng)指標(biāo)控制要比Q235B指標(biāo)更加嚴(yán)格；站在力學(xué)角度進(jìn)行分析，Q355B和Q235B相比，前者抗拉強(qiáng)度、屈服極限更高；從物理特征角度而言，對城市供熱直埋熱水管道，Q355B受熱伸長量較低，更能滿足物體變形協(xié)調(diào)要求［6］。因此，工作人員在應(yīng)用Q235B鋼材時(shí)，要將其應(yīng)力控制在125 MPa，極限屈服為235 MPa，線膨脹系數(shù)12.2×10-6 K-1；L290鋼材許用應(yīng)力138 MPa，線膨脹系數(shù)為11.1×10-6 K-1，屈服強(qiáng)度290 MPa［5］。

2.2.2 鋼管壁厚

直埋熱水管道的熱伸長量、管壁厚度計(jì)算及盈利驗(yàn)算根據(jù)《城市供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)范》來實(shí)施。正常情況下，管道壁厚限制因素有很多，如安定性、應(yīng)力驗(yàn)算、局部穩(wěn)定性驗(yàn)算、整體穩(wěn)定性驗(yàn)算等，并考慮到大管徑管道抵抗局部屈曲、管道磨損、腐蝕等，安裝方式則利用無補(bǔ)償安裝，安裝溫度選擇10 ℃［6］。3種鋼材工作管計(jì)算壁厚如表1所示。

對于該項(xiàng)目，當(dāng)工作管使用類型為Q235B時(shí)，DN1200供、回水管的取用壁厚分別是14和16 mm；當(dāng)DN900供、回水管時(shí)，取用壁厚全部選擇12 mm。當(dāng)工作管使用L290時(shí)，DN900供、回水管的取用壁厚取10 mm，當(dāng)其是DN1200時(shí)，供、回水管的取用壁厚是12和14 mm。當(dāng)工作管利用Q355B時(shí)，DN900供回水管取用壁厚是10 mm；當(dāng)DN1200時(shí)，壁厚分別是12、14 mm［7-9］。

2.2.3 工作管購置費(fèi)

在設(shè)計(jì)壓力2.0 MPa條件下，可將Q235B的工作管購置費(fèi)定在5 830×104元。而當(dāng)使用Q355B、L290時(shí)，由于工作管壁厚度逐漸降低，工作管購置費(fèi)不升反而有所降低。通過綜合考慮各方面因素后，選用Q355B工作管鋼材最為劃算［7］。

2.3 外護(hù)層、保溫層生產(chǎn)工藝

保溫層厚度根據(jù)《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)制度》所提供的方法來計(jì)算。除控制保溫層外表面溫度不應(yīng)高于50 ℃后，還要按照《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》來實(shí)施，將最大允許熱損失小于104 W/m2［8］。在計(jì)算過程中，DN值為1 200 mm供回水管道水平中心距離1.72 m，土壤熱導(dǎo)率在1.5 W，DN900供回水管道水平中心距離區(qū)1.45 m，聚氨酯保溫材料熱導(dǎo)率0.033 W/（m·K），管頂覆土深度在1.5 m（如表2所示）。

在保溫層厚度一致的情況下，表3、表4為外護(hù)層和保溫層的傳統(tǒng)管材工本費(fèi)和噴涂纏繞工本費(fèi)；單價(jià)指單位長度費(fèi)用，包括外護(hù)層和保溫層。

3 敷設(shè)安裝方式

目前國內(nèi)直埋熱水管道采用的是明溝對于直埋式熱水管道，以管網(wǎng)設(shè)備少、建設(shè)周期短、成本低、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，首選無補(bǔ)償?shù)睦浒惭b方式。但由于該項(xiàng)目受道路曲折及兩側(cè)管線所限，且直管最長段不到400 m，直埋式熱水管道在下穿路口等地下管線復(fù)雜地段時(shí)，必須下翻下穿，高差達(dá)到7 m，采用無補(bǔ)償冷安裝的方式無法更好地進(jìn)行。所以這個(gè)項(xiàng)目采取的是固定墩+補(bǔ)償器的組合。雖然該項(xiàng)目采用的是固定墩與補(bǔ)償器相結(jié)合的方式。但利用套筒補(bǔ)償器、球形補(bǔ)償器和直埋管錨固段合理布局，減少固定墩和補(bǔ)償器，固定墩最大距離達(dá)到870 m，并不是很多設(shè)計(jì)單位采用管網(wǎng)每隔120 m左右設(shè)置一個(gè)固定墩和補(bǔ)償器的方式。補(bǔ)償器、固定支座數(shù)量大幅減少，建設(shè)期縮短，工程成本降低［10-11］。

4 結(jié)語

本文通過對北京市城區(qū)外主熱源到主城區(qū)長輸熱網(wǎng)項(xiàng)目進(jìn)行分析，來發(fā)現(xiàn)長輸熱保溫管道設(shè)計(jì)和特殊節(jié)點(diǎn)處理的工藝，從而給建設(shè)具體項(xiàng)目提供豐富的數(shù)據(jù)資源，確保工程項(xiàng)目的可持續(xù)發(fā)展。

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