梁 鸝

太原市熱力設(shè)計有限公司

某高溫高壓供熱管道事故分析

梁 鸝

太原市熱力設(shè)計有限公司

本文針對某直埋高溫管道破裂，對導(dǎo)致管道失效的各種應(yīng)力破壞形式進(jìn)行了分析，提出直埋管道在設(shè)計計算時要充分考慮管道剛度以及內(nèi)壓、溫度、局部屈曲對壁厚的影響，同時要注意直埋管道環(huán)境變化對管道的影響，從而提出一種針對性的補(bǔ)救措施。

直埋高溫水管道 強(qiáng)度失效 穩(wěn)定失效 應(yīng)力 壁厚

某供熱管網(wǎng)管徑DN700，設(shè)計供回水溫度130/70℃，設(shè)計壓力1.6MPa，管材采用Q235-B，以直埋敷設(shè)方式為主，敷設(shè)于城市主干道的人行車道下，穿越一處鐵道時采用頂砼套管的施工方式。該項目于2008年開工建設(shè)并于當(dāng)年投入運(yùn)行。

1 管線設(shè)計方案

管線為長直管道，東西向布置，在樁號為1+237處設(shè)置一處固定加補(bǔ)償器小室（固定在西側(cè)），在樁號3+010處也設(shè)置了補(bǔ)償器加固定的小室（固定在東側(cè)）。在樁號為2+400處地面上有一處鐵道線。該段管線平面簡圖見圖1。

圖1 管線平面簡圖

穿越鐵道線頂管長度為12m。頂管斷面見圖2。

圖2 頂管斷面圖

頂套管施工完成后，測量出套管的實(shí)際坐標(biāo)和高程，調(diào)整兩側(cè)的管線平面和縱斷，以保證管道的敷設(shè)滿足技術(shù)條件。調(diào)整后平面見圖3。

圖3 調(diào)整后管線平面圖

2 事故狀態(tài)

該管線2013年停熱后，處于濕保護(hù)狀態(tài)，然而，某日該管段大量失水，泄空管道內(nèi)的水，將機(jī)器人放入排查，發(fā)現(xiàn)管道開裂。機(jī)器人拍照結(jié)果見圖4，開挖后取出發(fā)生斷裂的管子見圖5。

圖4 機(jī)器人拍攝的內(nèi)部影像資料

圖5 開挖后取出的管道外部照片

3 事故原因分析

3.1 事故原因

該管道發(fā)生拉裂的部位位于錨固段，且位于套管內(nèi)，周圍沒有回填土，偏離管道無補(bǔ)償直埋的計算模型。而且頂管管中心距大于直埋管中心距離，對接的過程中有明顯的錯臺，初步判斷管道是由于出現(xiàn)局部失穩(wěn)導(dǎo)致的破裂。

3.2 管道壁厚的復(fù)核

大口徑管道發(fā)生屈曲的幾率與其口徑和壁厚有關(guān)。

該管道管材為Q235-B，壁厚為10mm，平均埋深2.0m。對于 Q235B，α=12.6×10-6m/(m·℃)，E=19.6× 10-6MPa，υ=0.3。

3.2.1 內(nèi)壓作用最小壁厚

工作管的最小壁厚按式（1）計算[1，2]:

式中：δ為工作管的最小壁厚，mm；p為設(shè)計壓力，取1.6MPa；D0為管子外徑，mm；[σ]為鋼材在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，材質(zhì)Q235-B取125 MPa；η為許用應(yīng)力的修正系數(shù)，螺旋縫焊接鋼管取0.9；Y為溫度對計算管子壁厚公式的修正系數(shù)，材質(zhì)Q235-B取0.4。

直管承受內(nèi)壓最小壁厚計算結(jié)果為5.06mm。以上計算結(jié)果只考慮了內(nèi)壓的最小要求，還未計入鋼管加工壁厚負(fù)偏差。負(fù)偏差值考慮0.8mm，考慮負(fù)偏差后壁厚為5.86mm。

3.2.2 溫度變化作用最小壁厚

對于工作管直管段的當(dāng)量應(yīng)力變化范圍應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)算，當(dāng)量應(yīng)力變化范圍應(yīng)滿足下列表達(dá)式的要求[1，2]:

式中：σj為內(nèi)壓、熱脹應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力變化范圍，MPa；ν為泊松系數(shù)；σt為管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力，MPa；α為鋼材的線膨脹系數(shù)，m/(m·℃)；E為鋼材的彈性模量，MPa；t1為管道工作循環(huán)最高溫度，℃；t2為管道工作循環(huán)最低溫度，℃；pd為管道的計算壓力，MPa；Di為鋼管內(nèi)徑，m。按3[σ]=375MPa計算，滿足無補(bǔ)償冷安裝強(qiáng)度條件的鋼管最小壁厚為5.06mm，負(fù)偏差值考慮0.8mm，考慮負(fù)偏差后壁厚為5.86mm。

3.2.3 管壁局部屈曲作用最小壁厚該管道為DN700，還應(yīng)進(jìn)行局部穩(wěn)定性驗(yàn)算[1，2]：對于 Q235-B，α=12.6×10-6m/(m·℃)，E=19.6×10-6MPa，υ=0.3，則

得出最小壁厚8.1mm。負(fù)偏差值考慮0.8mm，考慮負(fù)偏差后壁厚為8.9mm。

3.2.4 鋼管取用壁厚

該段管道壁厚為10mm，完全滿足上述條件。

3.3 事故原因分析

經(jīng)過對管道壁厚的復(fù)核計算，壁厚完全滿足無補(bǔ)償冷安裝的要求。按照《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T81-2013）規(guī)定，DN700的管道可視為直管段的最大折角為0.1°，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的角度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.1°。折角越大，折角的應(yīng)力越大，允許的疲勞次數(shù)越少[3]。

分析其發(fā)生破裂的原因在于錨固段處出現(xiàn)頂管施工，管道和套管之間出現(xiàn)空腔，且管道銜接處出現(xiàn)較大的角度，致使管道在強(qiáng)大的軸向力作用下發(fā)生局部失穩(wěn)，從而導(dǎo)致管道破裂。

4 解決辦法

截除破裂的管段，調(diào)整管道之間的夾角，在夾角超標(biāo)的地方采用18個肋板加強(qiáng)焊縫，肋板厚度20mm，由于套管和管道之間距離還比較大，采用人工往里填塞砂袋，填滿管道和套管之間的空隙。目前管道還運(yùn)行平穩(wěn)。

5 結(jié)束語

1）直埋供熱管道必須嚴(yán)格按照設(shè)計施工，當(dāng)環(huán)境狀況偏離計算模型時需要及時修正和驗(yàn)算，適時調(diào)整方案，充分考慮各種不利因素可能會帶給管道的傷害。

2）管道之間夾角的集中應(yīng)力是非常大的，一定會給管道帶來不良后果。施工過程中一定要引起高度重視。

[1] 王飛,張建偉.直埋供熱管道工程設(shè)計(第二版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版,2014

[2] 城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程(CJJ-T81-2013)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013

[3] 王飛,錢保嫻,王國偉.直埋供熱多折角曲管的數(shù)值分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2012,(5):69-71

An Accident Analysis of the High-temperature and High-pressure Heat-supply Pipeline

LIANG Li
Taiyuan Heating Power Design Co.,Ltd.

For a high-temperature direct-buried pipeline rupture,the various forms of stress damage that cause of pipeline failure were analyzed.The impact of pipe rigidity and inner pressure,temperature,local buckling on thickness of the pipeline must be considered were put forward during direct-buried pipeline designing and calculating.Meanwhile, the impact of environmental change on buried pipelines must be noticed.Thereby,a targeted remedial action was proposed.

the high-temperature direct-buried pipeline,failure by strength,failure by instability,stress,thickness of the pipeline

1003-0344（2015）04-074-3

2014-5-28

梁鸝（1971～），女，本科，高工；太原市新建南路南沙河南沿岸太原市熱力設(shè)計有限公司（030012）；E-mail:liangli7157@163.com