薛曉娟

摘要：文章針對操作溫度200℃、操作壓力1.27MPa、管徑350mm直埋蒸汽管線設(shè)計(jì)條件，如何進(jìn)行設(shè)計(jì)的一個工程實(shí)例作了介紹，對直埋蒸汽管道波紋補(bǔ)償器的事故處理提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：直埋管線；導(dǎo)向管架；軸向推力；蒸汽管道；波紋補(bǔ)償器 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TK284 文章編號：1009-2374（2015）19-0084-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.041

1 概述

當(dāng)供熱管道不具備采用直埋無補(bǔ)償方式的條件時，如管道工作溫度過高，難以找到熱源，不能影響城市交通或管網(wǎng)分支較多等，可采用有補(bǔ)償方式。采用有補(bǔ)償方式的主要目的，是針對管道出現(xiàn)熱伸長這個問題加以解決，其補(bǔ)償方式可進(jìn)一步劃分為兩種：（1）有固定點(diǎn)的補(bǔ)償；（2）無固定點(diǎn)的補(bǔ)償。

采用有固定點(diǎn)的補(bǔ)償方式時，設(shè)管道最大安裝長度為Lmax，則需要在補(bǔ)償器兩側(cè)設(shè)立間距不超過Lmax的固定點(diǎn)，而固定點(diǎn)所承受的推力與架空或地溝敷設(shè)時的不同之處是將由活動支架的水平反力產(chǎn)生的水平推力改為土壤對管道的摩擦力。而在采用有補(bǔ)償方式的基礎(chǔ)上解決管道熱伸長問題，則需要引入摩擦長度——Lf的概念，來進(jìn)行土壤對管道摩擦力的計(jì)算。所謂摩擦長度是以管道自由端（如補(bǔ)償器一端）為起點(diǎn)，向固定點(diǎn)方向到某一點(diǎn)的管段所產(chǎn)生的土壤對管道的摩擦力等于管道由熱應(yīng)力而產(chǎn)生的彈性力。這一管段將會產(chǎn)生熱伸長運(yùn)動并導(dǎo)致土壤對管道的摩擦力的產(chǎn)生。摩擦長度按下式計(jì)算：

式中：

△t——管道安裝溫度與實(shí)際工作溫度之差

只有當(dāng)管道達(dá)到工作溫度，亦即管道與土壤間的摩擦力最大時，固定點(diǎn)承受最大推力。這是由于管道從安裝溫度至工作溫度的升溫曲線變化是漸變式的逐漸升溫，因此能夠參與管道與土壤摩擦的管段長度也是逐漸增加的。同時因?yàn)椴捎昧擞泄潭c(diǎn)的補(bǔ)償方式，固定點(diǎn)所承受的推力會由于管道在工作溫度下的實(shí)際熱伸長量被補(bǔ)償器所吸收，因而固定點(diǎn)所承受的推力會變小而成為一個恒定值，所以固定點(diǎn)承受暫時最大推力和恒定推力。設(shè)計(jì)時固定點(diǎn)的推力應(yīng)選用暫時最大推力。

2 項(xiàng)目背景

蒸汽輸送管線詳細(xì)信息如表1所示：

表1

操作溫度 操作壓力 介質(zhì) 管徑

200℃ 1.27MPa 蒸汽 DN350

安裝地點(diǎn)：西安經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)海紅路。海紅路寬40m，蒸汽管距馬路中心線12m。

上述埋地管線的設(shè)計(jì)工作由機(jī)械電子工業(yè)部某設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)。甲方第一年先施工了大部分管線，結(jié)果通蒸汽運(yùn)行后，出現(xiàn)波紋補(bǔ)償器處撕裂的狀況。第二年甲方委托我方對未施工的剩余管線重新進(jìn)行設(shè)計(jì)（約630m），

但埋設(shè)方式、補(bǔ)償器形式維持原有的設(shè)計(jì)風(fēng)格。

3 情況分析

第一，直埋管道適用于輸送低壓蒸汽、熱水、冷水、石油等氣體和液體，廣泛應(yīng)用在熱力管網(wǎng)、地?zé)?、直冷、市政建設(shè)、石油化工等工業(yè)部門。

第二，直埋管道設(shè)計(jì)及施工應(yīng)遵守《城鎮(zhèn)供熱直埋蒸汽管道技術(shù)規(guī)程》《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》及《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定的條款。

第三，直埋管道的埋設(shè)深度，根據(jù)計(jì)算當(dāng)覆土深度為0.5m時，其承載能力可保證載重10噸卡車安全通過，但一般規(guī)定直埋管道應(yīng)埋設(shè)在當(dāng)?shù)氐谋鶅鼍€以下。

第四，直埋管道的溝槽開挖尺寸，可按下列原則確定：管子與管子之間凈距為200～250mm；管子與溝壁之間凈距為200～250mm；管底與溝底之間凈距為200mm；管頂與地面之間凈距為600mm。

第五，補(bǔ)償器可選用波紋補(bǔ)償器、套管補(bǔ)償器和方形補(bǔ)償器，但波紋補(bǔ)償器及套管補(bǔ)償器必須置于檢查井內(nèi)，以便于檢修。

第六，所有檢查井（其中安裝補(bǔ)償器及閥門）都應(yīng)采用混凝土澆灌的防水井，嚴(yán)防地下水滲漏到井內(nèi)。

第七，直埋管道穿過公路時，應(yīng)加套管或做成管溝。管溝上面鋪蓋鋼筋混凝土蓋板。

然后，依據(jù)甲方提供的某設(shè)計(jì)院所出的施工圖紙后，再就管道埋設(shè)深度、管子壁厚、軸向力、最大安裝長度分別進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2：

表2

埋設(shè)深度 管子壁厚 軸向推力 最大安裝長度

計(jì)算數(shù)據(jù) 1.1m 6mm 7噸 96m

實(shí)際數(shù)據(jù) 1.12m 7mm 50m

從上述條款及表2可以看出，某設(shè)計(jì)院所采用的各項(xiàng)數(shù)值均在安全范圍內(nèi)，可以認(rèn)為管線產(chǎn)生的軸向推力不會導(dǎo)致波紋補(bǔ)償器處出現(xiàn)問題，也就是說由于在設(shè)計(jì)中沒有對管線產(chǎn)生的徑向推力進(jìn)行限位，從而造成管線上、下、左、右位移量過大，使得波紋補(bǔ)償器處發(fā)生撕裂。

4 采取對策

通過以上的分析判斷，基本上可以判定出現(xiàn)問題的根源在于整個管系的支撐體系有問題，即突破點(diǎn)在管系的固定管架、導(dǎo)向管架的設(shè)計(jì)。

5 解決辦法

5.1 管系布置圖

局部管系布置圖如圖1所示：

圖1 管系布置圖

5.2 安放固定管架和波紋補(bǔ)償器

固定管架和波紋補(bǔ)償器放在檢查井內(nèi)，其管架設(shè)計(jì)形式采用架空管道所用的支座類型即可。

5.3 導(dǎo)向管架設(shè)計(jì)

5.3.1 根據(jù)美國膨脹節(jié)制造商協(xié)會EJMA的標(biāo)準(zhǔn)裝有波形膨脹節(jié)的管道，導(dǎo)向支架的設(shè)置應(yīng)按圖2所示：

注：D為管外徑。

圖2 裝有波紋膨脹節(jié)管道的支架間距

第2導(dǎo)向架以后的所有其他導(dǎo)向架的最大間距應(yīng)采用下面公式計(jì)算：

式中：

L——導(dǎo)向架的最大間距，m

E——管子材料的彈性模量，kgf/cm2（1MPa=10.2kgf/cm2）

I——管子的慣性矩，cm4

P——設(shè)計(jì)壓力，kgf/cm2

α——膨脹節(jié)的有效面積，cm2

f——膨脹節(jié)每波起始的彈性系數(shù)，kgf/cm/波（1N=0.102kgf）

ex——膨脹節(jié)每波的軸向行程，cm/波

注：膨脹節(jié)受壓時取（+）號，受拉時?。?）號。

5.3.2 固定、導(dǎo)向墩尺寸確定：

第一，固定、導(dǎo)向墩受力組合。固定、導(dǎo)向墩的結(jié)構(gòu)尺寸必須保證它在各種力的作用下保持平衡和穩(wěn)定。固定、導(dǎo)向墩主要受以下各種力：（1）正面的軸向推力H；（2）背面土反力Ep；（3）底部和支架兩側(cè)與土壤間的摩擦力F1；（4）支架上表面與土壤間的摩擦力F2。

第二，固定、導(dǎo)向墩抵抗推力計(jì)算。根據(jù)受力平衡，固定、導(dǎo)向墩抵抗推力按下面公式計(jì)算：

T=F+KEp

式中：

T——抵抗推力，kg（或t）

F——總摩擦力，kg（或t），F(xiàn)=μ（P+2Eα）

μ——土壤與混凝土摩擦系數(shù)，一般取0.6

P——固定、導(dǎo)向墩重+2倍支架上部復(fù)土重，kg（或t）

Eα=γH2tan2（45°-）B

Ep=γH2tan2（45°+）A

式中：

Eα——主動土壓力，kg（或t）

Ep——被動土壓力，kg（或t）

γ——土壤重力密度，取1800kg/m3

H——土體高度，亦即支架高，m

——土壤內(nèi)摩擦角，取30°

B——支架正面寬度，m

A——支架側(cè)面寬度，m

圖3 固定、導(dǎo)向墩示意圖

如保證固定、導(dǎo)向墩穩(wěn)定，則：

T≥Hx

式中：

Hx——固定、導(dǎo)向墩承受的推力，kg（或t）

T——固定、導(dǎo)向墩抵抗推力，kg（或t）

設(shè)計(jì)中取A=1.5m；B=0.2m；H=0.5m；固定、導(dǎo)向墩埋深h=1.5m，經(jīng)過計(jì)算軸向推力Hx=7t。

計(jì)算過程如下：

Ep=γH2tan2（45°+）A

=×1.8×0.52×tan2（45°+）×1.5

=1.01t

KEp=0.7×1.01

=0.71t

F=μ（P+2Eα）

Eα=γH2tan2（45°-）B

=×1.8×0.52×tan2（45°-）×0.2

=0.03t

F=0.6×[2（γ×A×B×h）+A×B×H×γ砼+2××γ×H2×tan2（45°-）×B

=0.6×（2×1.8×1.5×0.2×1.5+1.5×0.2×0.5×2+2×0.03）

=1.19t

T=F+kEp

=1.19+0.71

=1.9t

1.9t>0.2Hx=1.4t，故A=1.5m；B=0.2m；H=0.5m；h=1.5m時，作為導(dǎo)向管墩安全。

第三，導(dǎo)向支架形式。通常在架空或地溝敷設(shè)時，在水平管架上只允許有軸向位移而不允許有橫向位移的地方，裝設(shè)導(dǎo)向支架；可是具體到本設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮到由于土壤條件變化，管線埋深變化對管線向上彎拱的影響，特別對長距離輸送供熱介質(zhì)的管道，為了防止因軸向壓力作用使管道失穩(wěn)，向上彎拱產(chǎn)生塑性變形破壞等因素。所以，設(shè)計(jì)導(dǎo)向支架結(jié)構(gòu)大樣圖如圖4所示：

圖4 導(dǎo)向架大樣圖

6 結(jié)語

自1998年至現(xiàn)在，管系運(yùn)行狀況良好，證明上述設(shè)計(jì)方案是可取的。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）