趙 建, 李 飛, 許國(guó)春, 張?chǎng)? 于洪浩, 謝曉潔

(1.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 第一設(shè)計(jì)研究院, 天津 300381;2.鄭州熱力集團(tuán)有限公司, 河南 鄭州 450000)

1 概述

2017—2021年,北方地區(qū)新建供熱管網(wǎng)8.4×104km。2021年末,全國(guó)城市集中供熱面積106.03×108m2,同比增長(zhǎng)7.30%。隨著我國(guó)城市供熱的發(fā)展,用戶附近小型分散熱源逐步被遠(yuǎn)距離熱電廠取代,長(zhǎng)距離集中供熱已成為我國(guó)供熱的發(fā)展趨勢(shì)。隨著輸送距離變長(zhǎng),供熱面積增長(zhǎng),供熱管道管徑也在逐步增大,國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸供熱管道最大規(guī)格已達(dá)DN 1 600 mm。

目前,國(guó)內(nèi)針對(duì)長(zhǎng)輸供熱管道在敷設(shè)過(guò)程中采用不同方式穿跨越特殊節(jié)點(diǎn)已進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[1]以太原市集中供熱管道頂管穿越東環(huán)高速公路為例,介紹了管道下穿現(xiàn)狀高速公路的技術(shù)措施,并確定了工程的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),提出了一系列安全風(fēng)險(xiǎn)的控制措施。文獻(xiàn)[2]結(jié)合工程實(shí)例,對(duì)DN 1 400 mm供熱管道盾構(gòu)穿越大型河流的施工方案進(jìn)行比選,并對(duì)最佳施工方案的整體設(shè)計(jì)、彎頭應(yīng)力計(jì)算等設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[3]針對(duì)某供熱管道水平定向鉆穿越河流工程,確定鋼管壁厚、設(shè)計(jì)穿越軌跡、進(jìn)行鉆機(jī)選型,并對(duì)管道回拖工況下的應(yīng)力和徑向屈曲失穩(wěn)進(jìn)行校核,提出施工注意事項(xiàng)。

本文以某長(zhǎng)輸供熱工程為例,分析DN 1 600 mm大管徑供熱管道采用管道橋跨越河流的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2 工程概況

2.1 項(xiàng)目概況

鄭州某長(zhǎng)輸供熱工程,路由長(zhǎng)度約60 km,以電廠為起點(diǎn)敷設(shè)兩根(1供1回)DN 1 600 mm供熱管道至市區(qū)隔壓站。設(shè)計(jì)壓力2.5 MPa,設(shè)計(jì)供、回水溫度130、30 ℃,設(shè)計(jì)質(zhì)量流量18 060 t/h。整體直埋敷設(shè),局部架空敷設(shè)。

2.2 跨越河流概況

跨越點(diǎn)位于新密市,跨越河流為天然深谷型河道,跨越處河道開口平均寬度120.0 m,河底平均寬度8.0 m,兩岸為高臺(tái)地,岸頂高程約250.0 m。河底最低點(diǎn)高程224.73 m,總沖刷深度1.46 m。河流為非通航河流。

CJJ 34—2022《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第8.2.12條規(guī)定,供熱管道河底敷設(shè),穿越不通航河流時(shí),管道(管溝)的覆土深度在穩(wěn)定河床底1 m以下。根據(jù)跨越河流信息,若采用直埋敷設(shè)、頂管敷設(shè),在滿足上述標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下管道高差大、施工難度大。而跨越處具備新建管道橋架空敷設(shè)的條件,且符合防洪評(píng)價(jià)要求。因此,采用管道橋架空敷設(shè)。

3 跨越方案設(shè)計(jì)

① 管道橋結(jié)構(gòu)

管道橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土橋面連續(xù)T形梁橋,橋梁與河道正交,橋梁全寬8.9 m,全長(zhǎng)165.0 m,橋面標(biāo)高245.32 m。橋梁設(shè)計(jì)使用年限100 a,橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)。

② 供熱管道布置

供回水供熱管道工作管規(guī)格均為D1620×20,材質(zhì)為L(zhǎng)360M,壓力等級(jí)為2.5 MPa。保溫結(jié)構(gòu)形式為:工作管+聚氨酯保溫層+高密度聚乙烯外護(hù)管+鍍鋅鋼板保護(hù)管。供回水管的管中心距為3.9 m,架空供熱管道橋面布置見圖1。

圖1 架空供熱管道橋面布置

管系模型見圖2。圖2中,紅色部分為架空管道,藍(lán)色部分為直埋管道。管系采用自然補(bǔ)償。節(jié)點(diǎn)A、D為曲率半徑3.5倍公稱直徑的90°彎頭,節(jié)點(diǎn)B、C為曲率半徑2.5倍公稱直徑的90°彎頭,彎頭壁厚均為24 mm。架空管道采用滑動(dòng)支座、導(dǎo)向支座支撐。導(dǎo)向支座均位于橋墩頂部位置,用于限制管道在y軸正負(fù)方向的位移,共設(shè)6組,其他均為滑動(dòng)支座。架空管道設(shè)置第1組、第6組導(dǎo)向支座的位置距架空管道端點(diǎn)距離均為2.5 m,滑動(dòng)支座、導(dǎo)向支座間距均為5 m。

圖2 管系模型

③ 支座結(jié)構(gòu)

滑動(dòng)支座、導(dǎo)向支座結(jié)構(gòu)分別見圖3、4?；瑒?dòng)支座由弧形托架與工作管連接,弧形托架與支座底板之間為鋼質(zhì)肋板。支座底板與聚四氟乙烯滑塊接觸,構(gòu)成滑動(dòng)連接。導(dǎo)向支座與滑動(dòng)支座結(jié)構(gòu)相似,不同的是在支座y軸正負(fù)方向增設(shè)導(dǎo)向擋板,防止管道滑脫支座。此外,為避免運(yùn)行中軸向熱伸長(zhǎng)過(guò)大導(dǎo)致支座底板移出聚四氟乙烯滑塊[4],第1組、第6組導(dǎo)向支座增設(shè)軸向限位擋板(圖4中未表示)。

圖3 滑動(dòng)支座結(jié)構(gòu)

圖4 導(dǎo)向支座結(jié)構(gòu)

4 軟件建模計(jì)算

① 模型建立

采用專業(yè)的管道有限元分析軟件Start對(duì)管道應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。由于供水管工作溫度高,承受的應(yīng)力水平比回水管高,因此將供水管道作為研究對(duì)象。由Start軟件建立的管系模型見圖5。直埋管道管頂覆土厚度2 m,彎頭A、D曲率半徑為5 600 mm,彎頭B、C曲率半徑為4 000 mm。架空管道支座間距5 m,支座底板與聚四氟乙烯滑塊接觸面積為0.42 m2,摩擦系數(shù)為0.2,導(dǎo)向支座y軸正負(fù)方向允許滑動(dòng)間隙均為30 mm。管道為冷安裝自然補(bǔ)償。運(yùn)行壓力為2.5 MPa,安裝溫度為10 ℃,工作循環(huán)最高溫度(取設(shè)計(jì)溫度)為130 ℃。130 ℃下鋼材許用應(yīng)力為153 MPa。

圖5 由Start軟件建立的管系模型(軟件截圖)

軟件按照CJJ/T 81—2013《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行直埋管道校核分析,按照DL/T 5366—2014《發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行架空管道校核分析。

② 管道應(yīng)力驗(yàn)算

應(yīng)力驗(yàn)算的目標(biāo)是判別管道各節(jié)點(diǎn)一次應(yīng)力、二次應(yīng)力是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的判別要求。一次應(yīng)力主要由管道內(nèi)壓、自重及其他持續(xù)外載產(chǎn)生,特點(diǎn)是變形非自限性,一次應(yīng)力比二次應(yīng)力危害更大[5],驗(yàn)算的關(guān)鍵是校核支座間距以及管道壁厚。二次應(yīng)力主要由管道受熱膨脹產(chǎn)生,主要表現(xiàn)為變形引起的疲勞破壞,驗(yàn)算關(guān)鍵是防止因循環(huán)塑性變形造成疲勞破壞。

對(duì)于直埋管道:一次應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力不應(yīng)大于鋼材許用應(yīng)力。一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力變化范圍不應(yīng)大于3倍鋼材許用應(yīng)力。局部應(yīng)力集中部位的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力變化幅度不應(yīng)大于3倍鋼材許用應(yīng)力。

對(duì)于架空管道:管道在工作狀態(tài)下,由內(nèi)壓產(chǎn)生的折算應(yīng)力不得大于鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。管道在工作狀態(tài)下,由持續(xù)荷載即內(nèi)壓、自重和其他持續(xù)外荷載產(chǎn)生的軸向應(yīng)力和不得大于鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。管系的熱脹應(yīng)力范圍應(yīng)滿足DL/T 5366—2014第7.3.5.1款的驗(yàn)算要求。

由驗(yàn)算結(jié)果可知,管系各節(jié)點(diǎn)的計(jì)算一次應(yīng)力、二次應(yīng)力均小于對(duì)應(yīng)的許用值,符合驗(yàn)算要求,說(shuō)明管系在設(shè)計(jì)狀態(tài)下應(yīng)力水平良好。

③ 支座受力計(jì)算

滑動(dòng)支座受力主要由管道重力和管道熱位移產(chǎn)生的摩擦力組成,導(dǎo)向支座受力除上述2項(xiàng)外,當(dāng)管道沿y軸正負(fù)方向的位移大于設(shè)置的允許滑動(dòng)間隙(30 mm)時(shí)還受到水平徑向(y軸正負(fù)方向)推力。由計(jì)算結(jié)果可知,管道重力形成的豎直荷載分布均勻。

受管道熱位移影響,支座受到的摩擦力分為軸向(x軸正負(fù)方向)和水平徑向摩擦力。由計(jì)算結(jié)果可知,水平徑向摩擦力較小(導(dǎo)向支座僅存在摩擦力,未產(chǎn)生導(dǎo)向擋板對(duì)管道的反力)。由計(jì)算結(jié)果可知,管道支座受力均勻,滿足安全要求。