劉磊

（中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471003）

直埋熱水供熱管道敷設(shè)方式的選擇和設(shè)計(jì)探討

劉磊

（中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471003）

近年來，直埋熱水供熱管道敷設(shè)技術(shù)，隨著其研究的深入、理論的日漸豐富以及工程應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，越來越受到工程技術(shù)人員的歡迎。盡管該技術(shù)的應(yīng)用愈加廣泛，但在設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中，工程設(shè)計(jì)和工程技術(shù)人員仍然遇到了一些問題，需要設(shè)計(jì)和工程技術(shù)人員協(xié)同解決。本文針對(duì)目前熱水供熱管道直埋時(shí)常見的四種敷設(shè)方式，在管道敷設(shè)方案設(shè)計(jì)中遇到的問題和具體施工工程中如何選取合適的敷設(shè)方式以及相應(yīng)的解決辦法進(jìn)行了探討。

直埋熱水供熱管道；敷設(shè)方式；設(shè)計(jì)；探討

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市規(guī)模的加大，直埋熱水供熱管道技術(shù)，具有占地面積較小、管網(wǎng)使用壽命較長(zhǎng)、施工時(shí)間較短等顯著的優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今城市供熱的主要方式。

隨著該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的日益擴(kuò)大，熱水供熱管道的敷設(shè)方式也有所增加；且隨著應(yīng)力方面的各種理論和技術(shù)的飛速發(fā)展，用于計(jì)算直埋熱水供熱管道的應(yīng)力大小的方法也日趨完善。目前，直埋式熱水管道的理論計(jì)算方面，一些科研單位及設(shè)計(jì)院[1-3]，對(duì)四種常用管道敷設(shè)方式進(jìn)行了計(jì)算并分析。這些均進(jìn)一步推動(dòng)了直埋式熱水供熱管道技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。

2 直埋熱水供熱管道的四種敷設(shè)方式

目前，在工程中直埋熱水供熱管道主要有四種敷設(shè)方式，現(xiàn)分別對(duì)其進(jìn)行論述：

第一種，對(duì)直埋式熱水供熱管道的敷設(shè)采用有補(bǔ)償?shù)姆绞健２捎么朔笤O(shè)方式在設(shè)計(jì)中需設(shè)固定支座和補(bǔ)償器，并且供熱管道應(yīng)朝向著力低點(diǎn)。這種管道敷設(shè)方式有良好的技術(shù)作為支撐，發(fā)展相對(duì)成熟，其不足之處在于需用到固定支座、補(bǔ)償器以及檢查室等，而這些均會(huì)增加工程建設(shè)成本。

第二種，熱水供熱管道在直埋敷設(shè)時(shí)，可以在無補(bǔ)償設(shè)置的基礎(chǔ)上采用冷安裝的方式。此敷設(shè)方式操作比較簡(jiǎn)便，即使出現(xiàn)應(yīng)力偏大的情況也可以通過在管道部分區(qū)域設(shè)置固定支座和補(bǔ)償器來改善熱應(yīng)力情況。此外，該敷設(shè)方式施工簡(jiǎn)便，所需時(shí)間較短。但這種敷設(shè)方式常要求較大的軸向應(yīng)力，而管道某個(gè)區(qū)域應(yīng)力過大會(huì)對(duì)管道本身產(chǎn)生永久性蠕變，破壞管道系統(tǒng)，進(jìn)而威脅著管道的安全運(yùn)行。

第三種，可以采用預(yù)熱的方式對(duì)直埋供應(yīng)熱水的管道進(jìn)行敷設(shè)。這種敷設(shè)方法對(duì)軸向應(yīng)力的要求低，也不需要補(bǔ)償器。但是供熱管道在預(yù)熱過程中一般無法回填溝槽，因此該敷設(shè)方式所需的周期較長(zhǎng)。若是供熱管道直徑較大，預(yù)熱后管道中熱水就會(huì)很難得到排除，同時(shí)在預(yù)熱的過程中還需要臨時(shí)熱源作保證。

第四種，在直埋方式下安裝供熱水管道，可以借助單次使用的補(bǔ)償器在敷設(shè)前進(jìn)行預(yù)熱。以這種方式敷設(shè)的熱水供應(yīng)管道的軸向應(yīng)力相對(duì)較低，且在進(jìn)行預(yù)熱過程中可以回填溝槽。但是這種敷設(shè)方式首先需要制定補(bǔ)償器，而且在預(yù)熱安裝完成后與供熱管道焊成一體。這種敷設(shè)方式會(huì)造成預(yù)熱后管道里的水難以排出，并且對(duì)臨時(shí)熱源有一定的要求。

3 具體案例中敷設(shè)方式的選取

以洛陽市某新區(qū)直埋式供熱管道工程作為一個(gè)案例。詳細(xì)地說明直埋熱水管道敷設(shè)方式是如何選取的。該工程中最大供熱量106.80MW，采暖熱媒介質(zhì)供、回水溫度分別為130℃和70℃，管道供熱半徑為6.8 km，該工程中最大管徑為DN 700mm，工作壓力為1.6MPa。

根據(jù)《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T81-98）的規(guī)定，DN500及以下的介質(zhì)溫度≤150℃的高溫水管道可采用無補(bǔ)償直埋敷設(shè)。公稱直徑大于DN500的管道，由于管道的塑性流動(dòng)，循環(huán)塑性變形，疲勞破壞、局部失穩(wěn)、整體失穩(wěn)和截面橢圓化變形的條件限制，采用冷安裝較為困難，只有適當(dāng)加大壁厚才可以采用冷安裝直埋敷設(shè)。同時(shí)補(bǔ)償器是管網(wǎng)的薄弱部件，易受腐蝕或壓壞，系統(tǒng)的可靠性降低。考慮到直埋式管道敷設(shè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，此工程案例中首先確定采用直埋敷設(shè)的方法。

考慮到無補(bǔ)償冷安裝的敷設(shè)方式只需放置少許補(bǔ)償器及固定支座、施工花費(fèi)時(shí)間較短，此工程案例考慮采用該敷設(shè)方式是否行得通。

在計(jì)算無補(bǔ)償方式安裝的直埋式熱水供應(yīng)管道的應(yīng)力，需要假定管道分別處于彈塑性和彈性狀態(tài)。在彈性條件下進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)，需要確保安裝的管道只能發(fā)生彈性變形，而不應(yīng)該出現(xiàn)塑性變形。而在彈塑性條件下進(jìn)行計(jì)算時(shí)，若出現(xiàn)塑性變形，則供熱管道已經(jīng)不能恢復(fù)到原來狀態(tài)，對(duì)管道的使用壽命造成了危害。

表 1 通過彈性分析計(jì)算得出的計(jì)算控制最大溫差

表 2通過彈塑性分析計(jì)算得出的計(jì)算控制最大溫差

由表1和表2可知，管道D720X9在進(jìn)行彈性計(jì)算時(shí)，所得到的管道的計(jì)算控制最大溫差是59℃，工程實(shí)際中的溫差應(yīng)大于此值，因此不能運(yùn)用無補(bǔ)償方式安裝。而管道D720 X9在彈塑性分析中，所得的計(jì)算控制最大溫差是132.4℃，因此無補(bǔ)償安裝是可行的。

由以上分析也可知，管道D720X9處于彈塑性狀態(tài)。此時(shí)，管道中應(yīng)力較大，容易造成閥門、彎頭、分支等一些地方出現(xiàn)應(yīng)力過大而損害局部管道的現(xiàn)象。不僅如此，大型供熱管道在施工和使用中常常出現(xiàn)不可預(yù)見的問題，同時(shí)市政供熱管道的溫度較高，其供熱面積也較大，對(duì)管道的應(yīng)力要求也高。考慮到上述實(shí)際情況，該項(xiàng)工程不應(yīng)采用無補(bǔ)償冷安裝的方式。為了保證供熱管道的安全運(yùn)營(yíng)，此工程應(yīng)采取應(yīng)力要求較低的有補(bǔ)償直埋方式對(duì)管道進(jìn)行敷設(shè)。另外，在預(yù)熱安裝敷設(shè)中敞槽需要充分加熱，此工程管線長(zhǎng)達(dá)6.8 km，有可能會(huì)延誤工期。而且在此工程附近地區(qū)，并沒有臨時(shí)熱源可以對(duì)管道進(jìn)行預(yù)熱；即使有預(yù)熱，預(yù)熱后熱水的排放仍然是個(gè)問題，故而預(yù)熱安裝敷設(shè)的方式不易在此工程中運(yùn)用。

綜合以上考慮，此工程最好采用發(fā)展相對(duì)成熟的有補(bǔ)償方式對(duì)供熱管道進(jìn)行直埋敷設(shè)。

4 具體案例中管道敷設(shè)遇到的問題及其對(duì)策

在本工程案例中，直埋式熱水管道敷設(shè)中采取有補(bǔ)償安裝，因使用補(bǔ)償器、檢查室和固定支座等而增加了工程施工成本，因此設(shè)計(jì)人員在滿足此工程設(shè)計(jì)要求的前提下，應(yīng)盡可能少量地使用補(bǔ)償器和固定支座，從而降低工程成本。眾所周知，直埋式敷設(shè)方式中熱水供熱管道常與周圍的土壤有較大的摩擦，因而固定支座會(huì)受到更大的推力。此時(shí)設(shè)計(jì)人員在管道設(shè)計(jì)時(shí)若不采用應(yīng)對(duì)辦法，容易使管道的部分區(qū)域出現(xiàn)壓力偏大的現(xiàn)象，使得管道的安全運(yùn)行面臨威脅。另外，當(dāng)固定支座受壓過大時(shí)，會(huì)改變其體積，從而影響其他相銜接管道的順利安裝；若在某個(gè)地區(qū)管道埋得過深，會(huì)引起地下水的擴(kuò)散，不利于施工進(jìn)行。

表 3 最小及最大長(zhǎng)度過渡段計(jì)算結(jié)果

在使用盡可能少的固定支座和補(bǔ)償器時(shí)，要依據(jù)表3即最大和最小長(zhǎng)度過渡段的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，從而在降低固定支座的受力時(shí)也能確保管道安全使用。此外，要降低固定支座的受力，可以采取在固定支座的兩頭對(duì)稱地放置補(bǔ)償器，從而使其兩頭的受力盡可能地被中和抵消掉，延長(zhǎng)固定支座的使用壽命。但是，注意不可在熱水供熱管道的低端用對(duì)稱設(shè)置補(bǔ)償器，而應(yīng)盡可能使用長(zhǎng)度較小的管段，并增加補(bǔ)償器的數(shù)量，從而減小供熱管道的受力，保證管段運(yùn)行的安全和延長(zhǎng)其使用壽命。在此工程中要按照具體參數(shù)和要求計(jì)算所需固定支座以及補(bǔ)償器的數(shù)量。

總之，補(bǔ)償器和固定支座的用量及其制定和放置方式要充分確保固定支座和管道的受力在可承受范圍內(nèi)，從而保障此工程中供熱管道的敷設(shè)工作能夠順利運(yùn)行，且敷設(shè)結(jié)果令人滿意。

5 結(jié)論

目前，供熱管道的直埋式敷設(shè)方法中有四種安裝方式，每種安裝方式都有其優(yōu)缺點(diǎn)，因此在具體的工程案例中，設(shè)計(jì)和工程技術(shù)人員要充分考慮實(shí)際情況，制定最適宜的供熱管道敷設(shè)方式，在保證管道安裝后能安全順利運(yùn)行的基礎(chǔ)上盡量降低工程成本。市政級(jí)別的供熱裝置一般需傳送高溫?zé)崴?、大面積地提供熱水、供熱管道產(chǎn)生的應(yīng)力較大，因此最好結(jié)合有補(bǔ)償和預(yù)熱的方式對(duì)供熱管道進(jìn)行安裝敷設(shè)。在具體實(shí)施過程中，還需根據(jù)施工周期和其他突發(fā)情況選擇最合適的管道敷設(shè)方式。而人們生活居住的小區(qū)使用的供熱管道一般輸送溫度較低的熱水，管道產(chǎn)生的應(yīng)力相對(duì)較小，最好采取無補(bǔ)償結(jié)合冷安裝的方式敷設(shè)管道。

[1]牛小化.大管徑熱水供熱管道直埋設(shè)計(jì)的探討[J].煤氣與熱力.2007（7）：76-81.

[2]張兆俠.直埋熱水供熱管道敷設(shè)方式的探討[J].煤氣與熱力,2009（10）：11-14.

[3]王玉玄,高百爭(zhēng),劉德平,梁豐.無補(bǔ)償直埋供熱管道應(yīng)力計(jì)算理論探討[J].煤氣與熱力.2010（07）.

TU995

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1671-0037（2014）06-85-1.5

劉磊（1978-），男，碩士研究生，工程師，研究方向：熱能工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)及工程管理。