孫婧

（太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司城西供熱分公司，山西太原 030000）

0 前言

相較于傳統(tǒng)的管溝敷設(shè)方式，利用直埋敷設(shè)技術(shù)進(jìn)行室外供熱管道建設(shè)，不僅能夠提高施工的便捷性、節(jié)約施工投資，為管道維護(hù)工作降低難度，通過聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料發(fā)泡和高密度聚乙烯外保護(hù)層降低地溝敷設(shè)的熱損失，解決地溝敷設(shè)管道因保溫層開裂損壞或地溝泡水等因素而導(dǎo)致在長(zhǎng)期運(yùn)行中熱損失不斷提高的問題。由此可見，供熱管道直埋敷設(shè)技術(shù)是一種更加適用于供熱系統(tǒng)建設(shè)的施工技術(shù)，具有普遍應(yīng)用的價(jià)值。

1 供熱管道直埋敷設(shè)技術(shù)的方法

根據(jù)設(shè)計(jì)原理分類，直埋供熱管網(wǎng)管道應(yīng)力分析可分為彈性分析法與安定性分析法兩種。為了使直埋管網(wǎng)管道與管件能一直處于安全狀態(tài)，其強(qiáng)度與穩(wěn)定條件就必須得到保障，對(duì)管道所受的溫度和壓力進(jìn)行分析，鋪設(shè)時(shí)綜合考慮管徑和管網(wǎng)走向，通過針對(duì)性的技術(shù)措施優(yōu)化其強(qiáng)度與穩(wěn)定條件。

1.1 無補(bǔ)償冷安裝直埋敷設(shè)

在無補(bǔ)償直埋敷設(shè)中，是通過應(yīng)力分類法對(duì)管道的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。不同特征的荷載對(duì)管道產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)和對(duì)管道破壞的影響不同進(jìn)行應(yīng)力分類，針對(duì)不同應(yīng)力應(yīng)采取不同的措施進(jìn)行強(qiáng)度條件控制。安定性分析法能對(duì)溫度應(yīng)力進(jìn)行理論控制，只要管段的強(qiáng)度條件符合應(yīng)力分析條件，可實(shí)現(xiàn)在無補(bǔ)償器狀態(tài)下直管段溫度應(yīng)力的控制，其設(shè)計(jì)結(jié)果為不設(shè)或少設(shè)補(bǔ)償器和固定支架[1]。

1.2 有償冷安裝直埋敷設(shè)

在有補(bǔ)償直埋敷設(shè)中，所有荷載產(chǎn)生的應(yīng)力均是由彈性分析理論或極限分析理論進(jìn)行強(qiáng)度控制，對(duì)應(yīng)力不進(jìn)行分類，而是相互疊加所有荷載產(chǎn)生的應(yīng)力，但只進(jìn)行綜合應(yīng)力對(duì)管道系統(tǒng)影響的計(jì)算[2]。彈性分析理論對(duì)載荷引起的應(yīng)力和應(yīng)變保證在彈性范圍內(nèi)，并給予足夠的安全富裕量作為限定值，確保管道任一截面總應(yīng)力皆小于材料本身的許用應(yīng)力。有償直埋敷設(shè)通過補(bǔ)償器吸收熱移位實(shí)現(xiàn)直管段溫度應(yīng)力的下降，其設(shè)計(jì)結(jié)果為固定支架和補(bǔ)償器的數(shù)量較多。

2 管道布置及存在的問題

2.1 管道布置

2.1.1 有補(bǔ)償直埋管道的布置形式

有補(bǔ)償直埋管道布置形式能夠有效的避免管道失穩(wěn)問題，利用補(bǔ)償器的方式來吸收管道受熱產(chǎn)生的熱位移從而降低直管段的溫度應(yīng)力。此敷設(shè)方式不會(huì)造成過高的熱量損失，使管材具有更高的使用壽命，更有利于管道的維護(hù)維修工作。但是，有補(bǔ)償直埋管道敷設(shè)這種方式會(huì)使管道與土壤間存在較大的摩擦應(yīng)力，且管道布置時(shí)補(bǔ)償器及支座會(huì)占據(jù)很大空間，使布置空間的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，會(huì)增加整個(gè)供熱管網(wǎng)項(xiàng)目的初投資，管網(wǎng)的運(yùn)行維修成本也會(huì)相應(yīng)增加。有償直埋管道敷設(shè)中通過對(duì)管道進(jìn)行細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽?yīng)力計(jì)算，充分利用轉(zhuǎn)彎處進(jìn)行自燃補(bǔ)償。根據(jù)《城鎮(zhèn)供熱直埋管道技術(shù)規(guī)程（CJJT 81—2013）》表4.1.3 的要求，供熱管道的最小覆土深度應(yīng)滿足上述規(guī)定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況若覆土深度不能滿足時(shí)，過街段、過河段可采取保護(hù)加固措施例如在過河過街薄弱段設(shè)置套管或管溝、在管道的上方可鋪設(shè)混凝土板等。

2.1.2 無補(bǔ)償直埋管道的布置形式

無補(bǔ)償直埋管道布置形式應(yīng)根據(jù)管道環(huán)境情況進(jìn)行綜合考慮，根據(jù)安裝方式分為自燃補(bǔ)償、一次性補(bǔ)償安裝、預(yù)熱安裝、冷安裝。供熱管道的熱伸長(zhǎng)受阻所形成的溫度應(yīng)力符合安定性分析的強(qiáng)度條件，基于對(duì)管道強(qiáng)度的衡量，可在長(zhǎng)距離直管段上不進(jìn)行補(bǔ)償器設(shè)置。自燃補(bǔ)償是通過管道的“L 型”“Z 型”的自然彎曲形狀所具有的柔性吸收管道的熱伸長(zhǎng)量。一次性補(bǔ)償器內(nèi)的伸縮元件只能使用一次，一次性補(bǔ)償器內(nèi)的壓縮量與管道的熱伸長(zhǎng)量相等。一般此方法適用于無法敞口對(duì)管道進(jìn)行預(yù)熱的情況下。無補(bǔ)償預(yù)熱安裝是對(duì)管道進(jìn)行提前加熱，當(dāng)管道溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱伸長(zhǎng)，此時(shí)對(duì)管道進(jìn)行焊接或回填。該安裝方式過程中焊接不是在常溫下進(jìn)行，對(duì)施工質(zhì)量的要求很高。無補(bǔ)償冷安裝直埋敷設(shè)是指供熱管道的焊接以及溝槽回填等整個(gè)過程是在自然環(huán)境溫度下進(jìn)行，此時(shí)管道無熱應(yīng)力，通常不需要在直管道上設(shè)置補(bǔ)償器和固定墩等。待整個(gè)管道開始運(yùn)行后，管道所受的熱應(yīng)力逐漸增大，應(yīng)力計(jì)算過程很復(fù)雜，但應(yīng)力變化始終在允許的范圍內(nèi)，充分發(fā)揮管道自身的承載能力[3]。

2.2 管道敷設(shè)中存在的問題

2.2.1 直埋管道受力設(shè)計(jì)方法適用范圍不夠廣泛

《規(guī)程》中雖然規(guī)定了直埋管道受力設(shè)計(jì)方法，但該方法的適用范圍僅為供熱介質(zhì)溫度低于150℃，公稱直徑小于DN500mm的一體型預(yù)制保溫管。目前供熱系統(tǒng)所使用的供熱管道的規(guī)格已發(fā)展為公稱直徑DN1400mm，其管道工作壓力要求也相對(duì)較高。而《城鎮(zhèn)供熱直埋管道技術(shù)規(guī)程》以及很多設(shè)備廠商的樣本或者設(shè)計(jì)手冊(cè)中所給出的圖表和公式適用于工作壓力低、直徑小的管道，可能未必適用于直徑大、工作壓力高的直埋敷設(shè)管道的受力設(shè)計(jì)[4]。在進(jìn)行直埋管道受力設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)現(xiàn)有公式與原理展開透徹分析，進(jìn)一步分析大直徑管道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2.2.2 大直徑管道失效方式研究不夠深入

由于在管道內(nèi)發(fā)生失效的位置和情況都有所不同，失效方式也有所不同。直管、三通、彎頭、閥門等都有各自對(duì)應(yīng)的失效方式。當(dāng)前對(duì)于直埋管道受力設(shè)計(jì)方法中的失效方式只是考慮了其中的某一部分，例如在對(duì)直管的受力設(shè)計(jì)中，僅對(duì)小直徑直管段考慮了無限塑性變形破壞、整體垂直失穩(wěn)的情況，忽視了局部失穩(wěn)。對(duì)于直徑較大、工作壓力較高的管道，這一情況不可忽視。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)管道失效方式做出分析與驗(yàn)算，確保管道受力的設(shè)計(jì)能科學(xué)合理。

3 直埋供熱管網(wǎng)施工

3.1 管道溝槽的要求

土方工程在供熱管道直埋無補(bǔ)償冷安裝設(shè)計(jì)和施工過程中，是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。在有關(guān)供熱管網(wǎng)土方施工工程的許多案例中顯示，溝槽基底的回填土若沒有按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行回填，會(huì)造成溝槽基底出現(xiàn)不牢固情況，此時(shí)若將管道直接吊裝進(jìn)行安裝，管道底部的沉降不均勻，致使管底無法與溝底之間實(shí)現(xiàn)緊密接觸，會(huì)造成整段管底局部出現(xiàn)懸空的現(xiàn)象[5]。焊接管道時(shí)，若使用抬高管道強(qiáng)制對(duì)口焊接的方法，使管底懸空，導(dǎo)致管道失去均衡的支持力，管道焊口處會(huì)出現(xiàn)開裂漏水的現(xiàn)象，這些對(duì)供熱管網(wǎng)的安全運(yùn)行都存在負(fù)面影響，因此，供熱管道直埋無補(bǔ)償冷安裝施工中需要采取有效的措施予以解決。

3.2 管材要求

對(duì)于一次網(wǎng)來說，供水設(shè)計(jì)溫度一般控制在130℃，這對(duì)管道有著很高的要求，輸送介質(zhì)的溫度高，所以保溫材料除了要具備較低的導(dǎo)熱系數(shù)，還要具備足夠的耐溫性能、良好的防水性能，確保其在高溫狀態(tài)下能正常運(yùn)行，否則因高溫導(dǎo)致保溫材料出現(xiàn)碳化，影響保溫性能[6]。實(shí)際的工程中，我們常用的保溫管和保溫彎頭是預(yù)制的，已在工廠提前做好鋼管內(nèi)層、聚氨酯硬質(zhì)泡沫的發(fā)泡、高密度聚乙烯外保護(hù)層的防腐加固處理。輸送距離長(zhǎng)，輸送介質(zhì)溫度高，受到熱脹冷縮的影響，保溫管的外保護(hù)層所承擔(dān)的摩擦力很大，因此，外保護(hù)層與保溫層、保溫層和鋼管之間的結(jié)合力要很強(qiáng)，確保能夠?qū)崿F(xiàn)“三位一體”。當(dāng)管道內(nèi)溫度出現(xiàn)變化時(shí)，鋼管受到熱脹冷縮的影響產(chǎn)生變形，透過保溫層傳到外保護(hù)層，外保護(hù)層和周圍回填土之間會(huì)產(chǎn)生相運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生很大的摩擦力。此時(shí)，外保護(hù)層所受的土壤摩擦力又能通過保溫層對(duì)鋼管的熱脹冷縮的變形起到限制作用。一次管網(wǎng)直埋管道主干線、支干線、支線上設(shè)置的關(guān)斷閥門、分段閥門、放氣閥門和泄水閥門應(yīng)選用質(zhì)量可靠的金屬硬密封焊接式球閥和蝶閥。

3.3 管件的選擇

無補(bǔ)償直埋管道運(yùn)行過程中涉及的所有管道管件都要承受巨大的荷載，彎頭、三通、閥門等處可能會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞現(xiàn)象，特別是彎頭處，要承受巨大的環(huán)向應(yīng)力，需對(duì)這些應(yīng)力集中部位進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。若強(qiáng)度超出了管件自身結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力，此時(shí)需考慮設(shè)固定墩或者補(bǔ)償器減少對(duì)這些管件的損壞。三通處可選用肋板加強(qiáng)式的結(jié)構(gòu)，特殊角度大折角處可把大折角分解為幾個(gè)常用小角度的彎頭相連接，也可根據(jù)實(shí)際情況選擇大彎曲半徑的彎頭進(jìn)行替代。

3.4 強(qiáng)度試驗(yàn)、嚴(yán)密性試驗(yàn)

一級(jí)管網(wǎng)要求進(jìn)行100%無損探傷，低區(qū)管網(wǎng)即二級(jí)管網(wǎng)進(jìn)行30%無損探傷，且相對(duì)應(yīng)的射線探傷必須不小于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/12605Ⅲ級(jí)和Ⅱ級(jí)要求。無損探傷合格之后，按《規(guī)范》要求，一級(jí)管網(wǎng)和二級(jí)管網(wǎng)均應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)和嚴(yán)密性試驗(yàn)。水壓試驗(yàn)過程中若發(fā)生泄漏跑水現(xiàn)象，應(yīng)先泄水待漏點(diǎn)處理后再重新進(jìn)行水壓試驗(yàn)，不得帶壓處理。嚴(yán)密性試驗(yàn)應(yīng)詳細(xì)排查管道、焊縫、管件、設(shè)備等處保證無滲漏為合格。試驗(yàn)合格后進(jìn)行分層回填。

4 結(jié)論

綜上所述，供熱管道直埋敷設(shè)技術(shù)是一種相對(duì)先進(jìn)的技術(shù)，在應(yīng)用過程中有著非常顯著的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于供熱節(jié)能有著極為突出的貢獻(xiàn)，本文針對(duì)供熱管道直埋輻射技術(shù)進(jìn)行深入探討，采取有效的完善措施，使其在應(yīng)用過程中更加高效、顯著。