陳 鵬

(太原市熱力公司，山西 太原 030001)

0 引言

按照補(bǔ)償器的運(yùn)行要求，停熱后供熱管道內(nèi)溫度降低至常溫后，補(bǔ)償器應(yīng)復(fù)原，太原市熱力公司2000年開(kāi)始運(yùn)行的一條支干線，2013年開(kāi)始發(fā)現(xiàn)個(gè)別補(bǔ)償器位移出現(xiàn)異常。管段情況為:該處管道為直線敷設(shè)直埋管道，敷設(shè)方向?yàn)橛晌飨驏|，敷設(shè)方式為無(wú)人為固定直埋敷設(shè)。管線管徑DN800，設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力為1.6 MPa，設(shè)計(jì)供、回水溫度為150 ℃/70 ℃，補(bǔ)償器采用旁流無(wú)推力補(bǔ)償器，型號(hào)為N-H-Ⅰ800-A-1.6-500;查閱資料得到DN800 供熱管道內(nèi)徑Di=0.801 6 m，外徑DO=0.82 m，管壁壁厚為0.01 m，保溫管外徑DC=0.96 m，該段地下水位的高度為Hw=1.5 m 左右，出現(xiàn)異常的為6號(hào)～10號(hào)小室之間的管段，小室內(nèi)均為供水側(cè)安裝旁流無(wú)推力補(bǔ)償器，回水側(cè)不安裝。

補(bǔ)償器及小室情況見(jiàn)表1。

表1 補(bǔ)償器及小室概況表

下面就對(duì)出現(xiàn)的情況進(jìn)行分析。

1 對(duì)管道及補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)進(jìn)行校核計(jì)算

1.1 進(jìn)行安定性分析

該段管道安定性要求的最大據(jù)算溫差計(jì)算公式為:

其中，［σ］為鋼管的許用應(yīng)力，采用125 MPa;α 為鋼管的線性膨脹系數(shù)，采用12.6×10-6m/(m·℃);E 為鋼管的彈性模量，采用196×109Pa。

由公式可知安定性條件僅與管道材料、設(shè)計(jì)壓力及管道管徑有關(guān)，當(dāng)管道為DN800，設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa，計(jì)算滿足安定性條件允許的最大循環(huán)溫差為132.1 ℃。本管段的設(shè)計(jì)供、回水溫度為150 ℃/70 ℃，安裝溫度按照10 ℃計(jì)算，則供水管道的設(shè)計(jì)最大溫差為150 -10=140 ℃，大于設(shè)計(jì)條件要求的132.1 ℃，回水溫差為70 -10=60 ℃＜132.1 ℃;因此，供水管敷設(shè)不能進(jìn)入錨固狀態(tài)，回水管敷設(shè)可進(jìn)入錨固狀態(tài)。

1.2 進(jìn)行最大過(guò)渡段長(zhǎng)度的計(jì)算

從管線設(shè)計(jì)圖紙可看出，該管段屬于長(zhǎng)直管段，敷設(shè)方式為直埋不設(shè)置人為固定，補(bǔ)償器為雙向補(bǔ)償，最大過(guò)渡段長(zhǎng)度的計(jì)算公式為:

其中，σt為環(huán)向應(yīng)力，F(xiàn)max為低于地下水位的最小摩擦力，，N/m，μmax為最大摩擦系數(shù)，取0.4，μmin為最小摩擦系數(shù)，取0.2，σv為管中心土壤應(yīng)力，與管中心及地下水位的相對(duì)位置有關(guān)，管中心低于地下水位，計(jì)算公式為:

其中，Hw為地下水位高度;ρs為水的密度，取1 000 kg/m3;ρt為土的密度，取1 800 kg/m3;K0為土壤靜壓力系數(shù)，K0=sinφ，φ取30°;G 為管道凈重，取7 370 N/m;h 為管頂覆土高度。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可以得知，在埋深變化的情況下，該段管道最大過(guò)渡段長(zhǎng)度的最小值為98 m，最大的補(bǔ)償器間距為648.9 -518.9=130 m ＜2×98=196 m，即補(bǔ)償器間距離均小于2 倍最大過(guò)渡段長(zhǎng)度，所以該管段管道均處于彈性補(bǔ)償狀態(tài)，應(yīng)力狀態(tài)滿足運(yùn)行要求。

1.3 駐點(diǎn)位置及補(bǔ)償量的驗(yàn)算

由于不存在人為固定，所以補(bǔ)償器均為雙向補(bǔ)償，在兩個(gè)補(bǔ)償器間存在駐點(diǎn)，也稱為虛擬固定，即從理論上首先要確認(rèn)駐點(diǎn)位置。

駐點(diǎn)的計(jì)算公式為:

本段管道中均采用相同型號(hào)的旁流無(wú)推力補(bǔ)償器，從理論角度講，各個(gè)補(bǔ)償器的摩擦力均相同。隨著管道敷設(shè)深度變化，相關(guān)參數(shù)發(fā)生變化，此處的計(jì)算中，敷設(shè)深度按照比例變化，緩慢過(guò)渡處理，可計(jì)算出各個(gè)補(bǔ)償器之間的過(guò)渡段長(zhǎng)度(駐點(diǎn)位置)。由于管段處于彈性狀態(tài)，則伸長(zhǎng)量的計(jì)算公式為:

可計(jì)算各管段的最大設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)量，見(jiàn)表3。

表3 各管段的最大設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)量

通過(guò)計(jì)算可確定各補(bǔ)償器間的設(shè)計(jì)計(jì)算駐點(diǎn)位置，8號(hào)小室補(bǔ)償器的計(jì)算最大補(bǔ)償量為40 +162=202 mm(補(bǔ)償器為雙側(cè)補(bǔ)償)，9號(hào)小室的計(jì)算補(bǔ)償量為67+48=115 mm，補(bǔ)償量為500 mm，則該處8號(hào)，9號(hào)補(bǔ)償器的補(bǔ)償量符合設(shè)計(jì)的要求。

通過(guò)校核計(jì)算，該段管線設(shè)計(jì)符合要求，補(bǔ)償器異常與設(shè)計(jì)計(jì)算無(wú)關(guān)。

2 其他可能的原因分析

1)該管道實(shí)際運(yùn)行期的最高壓力在1.1 MPa～1.2 MPa，最高供、回水溫度125 ℃/57 ℃，非運(yùn)行期間采用濕保護(hù)，壓力0.3 MPa，運(yùn)行參數(shù)均在設(shè)計(jì)供熱參數(shù)要求的區(qū)間運(yùn)行。按照實(shí)際運(yùn)行參數(shù)計(jì)算，相關(guān)數(shù)據(jù)也在設(shè)計(jì)參數(shù)范圍以內(nèi)。通過(guò)觀察可看出管道有整體向西移動(dòng)趨勢(shì)，運(yùn)行14 個(gè)采暖季后，整體的摩擦力降低，造成駐點(diǎn)漂移。

2)管道移動(dòng)的主動(dòng)力為一次應(yīng)力(內(nèi)壓力產(chǎn)生的軸向力)及二次應(yīng)力(熱脹冷縮產(chǎn)生的軸向力)，被動(dòng)應(yīng)力為土壤摩擦力及補(bǔ)償器的移動(dòng)阻力，根據(jù)巡線人員的觀察，該路段地下水位高低存在一定的波動(dòng)，而影響管道移動(dòng)的四個(gè)力中土壤摩擦力受到地下水位變化產(chǎn)生季節(jié)性波動(dòng)，由于駐點(diǎn)位置的變化僅與摩擦力有關(guān)，因此當(dāng)管段摩擦力發(fā)生變化時(shí)，就出現(xiàn)管段的駐點(diǎn)漂移。

整體分析，造成位移異常的原因?yàn)轳v點(diǎn)漂移導(dǎo)致。管道經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，管道的摩擦力降至最低，且沿管道敷設(shè)方向隨地下水位、敷設(shè)深度和回填沙的情況發(fā)生變化，導(dǎo)致駐點(diǎn)發(fā)生漂移，致使補(bǔ)償器的位移出現(xiàn)異常。

3 采取的措施及產(chǎn)生的變化

2013年發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償器位移異常后，受施工條件限制，無(wú)法對(duì)管段開(kāi)挖處理，但補(bǔ)償器的回縮量比較大，存在被拉脫的風(fēng)險(xiǎn)。最終采取了在8號(hào)小室內(nèi)，從補(bǔ)償器西側(cè)斷開(kāi)主管與補(bǔ)償器連接處，將補(bǔ)償器人工復(fù)位后，在原管道與補(bǔ)償器之間加焊管道的辦法。通過(guò)2 個(gè)采暖季的運(yùn)行，基本排除了補(bǔ)償器拉脫的風(fēng)險(xiǎn)，但造成的結(jié)果為管道整體加長(zhǎng)，駐點(diǎn)仍存在漂移，整體向西漂移的問(wèn)題未得到解決。

4 今后設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行過(guò)程中需要注意的事項(xiàng)

1)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)中供水溫度為150 ℃。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)該公司的觀察，當(dāng)供水溫度超過(guò)125 ℃后，供水管道的保溫層碳化嚴(yán)重，由于供熱管道均為長(zhǎng)距離輸送管道，設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度過(guò)高也導(dǎo)致運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)過(guò)大。經(jīng)了解，現(xiàn)階段一次網(wǎng)供熱設(shè)計(jì)參數(shù)多數(shù)已調(diào)整為供、回水溫度為130 ℃/70 ℃，在該設(shè)計(jì)參數(shù)下，大部分管道設(shè)計(jì)均可進(jìn)入錨固狀態(tài)，降低了安裝投資，減小了系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

2)改大埋深敷設(shè)為淺埋敷設(shè)，在降低工程造價(jià)的同時(shí)，也降低地下水對(duì)管道伸縮的影響，降低小室內(nèi)管道由于水浸泡產(chǎn)生的腐蝕。

3)管道施工過(guò)程中注意嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求對(duì)管道周圍進(jìn)行回填砂，避免由于長(zhǎng)期運(yùn)行造成的回填黏性土形成的空腔，確保正常的管道摩擦力。

4)在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)無(wú)固定直埋管段補(bǔ)償器小室的運(yùn)行檢查，做好運(yùn)行期間及停熱后相關(guān)補(bǔ)償設(shè)備參數(shù)的記錄，確保設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定、安全。

5)無(wú)推力補(bǔ)償器的芯筒段必須及時(shí)進(jìn)行保養(yǎng)，避免由于未保養(yǎng)造成的補(bǔ)償器阻力過(guò)大，無(wú)法正常移動(dòng)，致使形成長(zhǎng)直管段，駐點(diǎn)發(fā)生漂移，將長(zhǎng)直管段補(bǔ)償量完全集中在正常伸縮的補(bǔ)償器。

［1］王 飛.直埋供熱管道工程設(shè)計(jì)［M］.第2 版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

［2］王 飛，張建偉.直埋供熱管道工程設(shè)計(jì)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［3］賀 平，孫 剛，王 飛，等.供熱工程［M］.第4 版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.