供热管道直埋敷设技术的探讨.docx

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供热管道直埋敷设技术的探讨

供热管道直埋敷设技术的探讨*

徐宝平　孙树林

　　摘要　探讨了直埋保温管道的敷设技术问题，对直埋保温管道的选择、埋设方式、埋设深度及管道补偿方式、补偿器的选用进行了介绍与分析，并借实例对管道支架所受推力进行了计算以确定最佳敷设方案；提出了施工注意事项，以保证施工质量、满足设计要求。

　　关键词　供热管网　直埋保温管道　补偿器　管道支架

　　中图分类号　TU822.2

RESEARCHABOUTLAYINGTECHNOLOGYOFDIRECTLY-BURIEDHEATINGPIPES

XuBaoping　SunShulin

　　ABSTRACT　Thisthesisstudiesthequestionaboutlayingtechnologyofdirectly-buriedthermalinsulationpipes,introduesandanalyzesthedirectly-buriedthermalinsulationpipes'choice、layingmethod、layingdepthandpipes'compensationmethod、compensationchoiseandsoon;andcalculate,throughexample,thethrustonthepipestandinordertodecidethebestlayingmethod.Thispaperalsoprovidesconstructionpointsforattention,inordertoinsureconstructionquality,tomeetthedesignneed.

　　KEYWORDS　heatingpipe,directly-buriedthermalinsulationpipes，compensator，pipestand

1　概　　述

　　供热管网直埋敷设方式与管沟敷设方式相比，具有节能、节省投资、工程量少、工期短、占地少、不影响市容、使用寿命长、维修工作量小及高密度聚乙烯、氰聚塑外护套管耐腐蚀等许多优点，尤其适合于像天津开发区地下水位高、盐碱度大的地区。

　　直埋保温管常用的有两种，一种是“氰聚塑”直埋保温管，保温层耐温可达120℃，采用高温聚氨酯保温层可耐温150℃，这种直埋保温管制作工艺较简单，价格较低，且接头现场处理较为容易；另一种直埋式预制保温管，俗称“夹克管”，其机械、物理性能均优于"氰聚塑"直埋保温管，但价格相对较高，接头处需进行热熔焊、塑料焊，并需进行热塑带缠绕加强，施工难度较大。

2　不同埋设方式的设计计算

　　供热管道直埋敷设目前有三种作法，一种为无补偿直埋敷设；第二种为有补偿直埋敷设；第三种是介于前两种之间的一次性补偿直埋敷设。

本文主要讨论第一种和第三种直埋方式。

2.1　无补偿直埋敷设

　　无补偿直埋敷设即利用土壤与管道间的摩擦力阻碍管道的伸缩，当土壤与管道间的摩擦阻力之和等于或大于管道膨胀力的时候，管线便不再伸长，即可不加补偿器。

此种埋设方式适用于

95℃以下的低温供热管线。

管线的单位长度摩擦阻力为：

　　P=π×D×K×μ

　　假设当管线长度达到L时，膨胀力与摩擦力相平衡，则L管段以外的地下管线就不再伸长。

有：

　　π×D×K×μ×L=α×E×（tp-ts）×f

　　L=α×E×（tp-ts）×f/（π×D×K×μ）

　　K=〔γ×H0+γ×H0+tg2（45°-θ/2）〕÷2

　　例如

325×9管，保温层外径为0.425m，H0=1.5m,tp=95℃,ts=0℃,代入上式计算得出L=231m。

即231m以外的管线无伸长。

且由于摩擦阻力的作用，管线的伸长量实际上只有同等长度的不埋地管线的一半。

经现场实际观测，基本相符。

所以231m管线的伸长量应为：

　　ΔL=α×L×（tp-ts）/2=0.134m=134mm

　　以上结果表明，在这种条件下，

325×9的直埋管线无论有多长，最多只有134mm的伸长量，且这个伸长量体现在该管线的两端，即每端的伸长量仅有67mm。

如果该管线的两端是弯头，尽管埋在土中，但仍能有部分弹性变形及塑性变形，其应力值不会超过许用应力。

如果该管线的两端是出土端，出土管线只要适当采取措施吸收67mm的伸长量即可。

如果对该管线加以预热处理，先升温至50℃左右，维持这个温度达2小时后再开始回填土，分层夯实，然后再进行降温，由于土壤的摩擦力，管线已恢复不到原有的长度，实际上是对该管线施行了预拉伸。

当管线正常运行时，该管线的实际伸长量为：

　　△L=α×L×（tp-ts）/2=0.064m=64mm

　　预热后更增加了管网的可靠性。

　　管线埋深应考虑以下两个问题：

（1）保证管线不失稳

　　热管线运行时，轴向应力很大，只有覆土深度超过一定的值，才能使其保持稳定。

其条件是土壤对管线的压力应大于管线的热膨胀力。

有关资料介绍了临界覆土深度的算式：

　　Hkp=（A-g管-g液）/（D×γ）

（2）管线埋深须满足行车的动荷载

　　通常，管线埋的越深，作用在管线上的动荷载压强就越小。

其关系式如下：

　　P=Q×（1+i）/〔（H0+10）×275〕

　　当埋深1m时，取Q=8000kg，i=0.45,则P=0.383kg/cm2。

氰聚塑保温管的综合抗压强度大于8kg/cm2,强度没问题。

一般情况下，只要能满足管线不失稳的条件就能满足行车的要求。

2.2　一次性补偿直埋

　　这种直埋方式在管道某处设置固定支座及一次性补偿器，将管线预热至运行温度的一半左右，一次性补偿器吸收管线膨胀并变形，然后将一次性补偿器焊牢，使其失去补偿作用而成为管线的一部分，降温时管线受拉应力，正常运行时管线受压应力，但都在管线的许用应力以内，管线能安全运行。

这种直埋方式适用于120℃以下的高温水管线及达不到稳定要求埋深的管线。

天津开发区4#热源厂供热管网水温120～80℃，主干管直径600mm。

方案1如图1所示。

图1　方案1

　　预热温度：

ty=tmax-44.4-pmax×di/168S

　　钢管规格:

600×9;P:

8kgf/cm2,tmax:

95℃;将上述数据代入上式得:

ty=72.3℃。

我们认为此温度偏高，经比较确定ty=65℃。

　　一次性补偿器的补偿量△X：

　　△X=0.012×L×（ty-ts）=191mm

　　选用YCB630-26-560型波纹一次性补偿器，最大补偿量260mm，两固定点间允许最大距离

288m，可以满足要求。

　　管线强度校核，对于直管段：

　　当温度由65℃升至120℃时，管线轴向热应力（压应力）为：

　　δ热=α×E×△t=1328kg/cm2

　　由内压力产生的轴向应力为：

　　δ内=p×di×β/2S=82kg/cm2

　　δ轴=δ热-δ内=1246kg/cm2

　　δ轴<〔δ〕=1400kg/cm2（120℃时的值）,所以能够安全运行。

　　当管线由65℃降至5℃时（冬季管线停运），管线受拉应力，此时：

　　δ内=0

　　δ热=1449kg/cm2

　　δ轴=δ热=1449kg/cm2

　　δ轴<〔δ〕=1460kg/cm2（20℃时的值）,能够安全运行。

为了减小固定支架1的推力，特提出方案2，如图2所示。

图2　方案2

　　方案2比方案1多增加一个固定支架，且在架1与架2之间，架4与架5之间各加一个直埋式波纹管补偿器，其目的是为了用L2与L7管段与土壤的摩擦力平衡L3、L4及L5、L6热应力，各支架受力情况如下：

（1）架1受水平推力情况（按正常运行考虑）

　　H1=PL+Pm1'+PF-PK2'-P×A

　　PK2=K2×△X2'

　　△X2'=0.012×（tmax-ts）×L2=176.4mm

　　选用16CTB600-240型直埋式波纹补偿器，补偿量240mm，K=46.5kg/mm,有效量240mm,

K=46.5kg/mm,有效面积A=3494cm2。

　　PK2'=46.5×176.4=8203kg

　　P×A=8×3494=27952kg

　　H1=15000+27682+23536-8203-27952

　　　=30063kg

（2）架2受水平推力工况

　　①预热施焊前

　　H2=（Pm3+Pk3+P×A）

　　　-0.7×（Pm2+Pk2+P×A）

　　两种补偿器的A值相同，A=3494cm2。

　　Pm3=T×L3×μ=8394kg

　　Pm2=8394kg

　　Pk3=k3×△X3

　　△X3=0.012×（L3+L4）×（ty-ts）=191mm

　　Pk3=46.5×191=8882kg

　　Pk2=K2×△X2

　　△X2=0.012×（ty-ts）×L2=96mm

　　Pk2=46.5×96=4464kg

　　P×A=8×3494=27952kg

　　H2=（8394+8882+27952）=16661kg

　　②施焊后正常运行时

　　H2'=〔α×E（tmax-ty）-δ内〕×f-Pm2'-Pk2'

　　Pm2'=π×D×K×μ×L2=169554kg

　　H2'=41111kg

　　（3）架3受水平推力情况

　　①　预热施焊前

　　H3=（Pm4+Pk4+PA）-0.8×（Pm5+Pk5+PA）

　　Pm4=Pm5=Pm3=8394kg

　　Pk4=Pk5=Pk3=8882kg

　　H3=9019kg

　　　　②　施焊后正常运行时

　　H3'=〔α×E（tmax-ty）-δ内〕×f

　　　-0.8×〔α×E（tmax-ty）-δ内〕×f

　　　=0.2×218868=43774kg

　　架4、架5所受推力分别与架2、架1相似，计算从略。

综合以上计算结果，各固定支架受推力如下：

架1、架5：

30000kg；架2、架4：

41000kg；架3：

44000kg。

实际计算时，加1、架5

按30000kg，架2、架4按45000kg。

此方案采用了直埋波纹管补偿和一次性补偿相结合的形式，解决了端头固定支架所受推力过大的问题。

此管网已于1993年竣工并投入运行，运行一直很稳定。

3　施工注意事项

（1）施工中沟槽要平整，保证槽底干燥，且需要作200mm左右厚的细砂垫层，保温管两侧及上部至少应覆盖200mm左右厚的细砂。

其目的一是防止硬物损坏保温外套管，二是利用砂子的流动性，充分填充管道周围的空隙，以保证足够的摩擦力。

（2）管道试压完毕后，方可进行接口发泡处理，要注意保证钢管及高密度聚乙烯外套管表面洁净及干燥，确定无误后方可进行热熔焊或热风焊，要求接口处外套管、焊条的材质与保温外套管的材质相同，且无漏焊处，再将焊接处进行打磨处理，用热缩带缠绕、加热粘贴以加强外套管的联接强度后，再进行发泡处理。

发泡后的孔隙处理同接口处理。

　　（3）要按设计要求进行预热，尤其是带有固定支架的直埋管线，必须按要求进行预热。

预热至设计温度时要保证温度的恒定，供回水温差不得超过2～3℃，并保持到一次性补偿器施焊完毕或回填土全部完成方可降温。

对于大口径管线还要注意预热温度达到均匀，因管线管径较大，常会发生管内介质冷热不均的情况，应适当提高管内介质流速来解决。

　　（4）回填土要分层夯实。

回填土的质量对于管线的安全运行非常重要，尤其是设固定墩和一次性补偿器的管线更为重要，一定要给予重视。

符号说明

　　A-补偿器的有效面积，cm2;

　　D-保温层外径,m；

　　di-钢管内径,mm;

　　E-钢管弹性模量,1.98×1010kg/m2；

　　f-钢管壁横截面积,m2;

　　G管-单位长度管材及保温层总重,kg/m;

　　G液-单位长度管线内介质总重,kg/m;

　　Hkp-临界覆土深度，m

　　H0-管中心至设计地面的土壤埋深,m;

　　i—冲击系数0.4～0.5;

　　J-钢管壁截面贯性距,m4;

　　K-作用在管子表面的平均土压强,kg/m2；

　　L-能伸长的管段长度,m；

　　△L-管线伸长量,mm;

　　P-作用在管线上的动荷载压强,kg/m2;

　　Pmax-管线最高工作压力,kgf/cm2;

　　PK2'-直埋式波纹补偿器在正常运行温度下的弹性力，kg；

　　Pm3-回填土前管段L3与土壤摩擦力,kg；

　　Pm2-回填土前管段L2与土壤摩擦力,kg；

　　Pk3-一次性补偿器的弹性力,kg；

　　Pk2-直埋式波纹补偿器在预热温度下的弹性力,kg；

　　Pm2'-管段L2回填土后与土壤的摩擦力，kg；

　　Pm4、Pm5-为管段L4、L5回填土前与土壤的摩擦力，kg；

　　Pk4、Pk5-为一次性补偿器预热时的弹性力，kg；

　　Q-一个车轮的重量，kg；

　　S-钢管壁厚,mm;

　　T-每m管线总重量（管材、保温、水）,kg/m;

　　ty-预热温度,℃;

　　tmax-管内介质最高温度,℃;

　　tp-运行时管线水温,℃;

　　ts-安装环境温度，以ts=0℃；

　　△X2-预热温度下的伸长量，mm;

　　△X2'-正常运行温度下的伸长量，mm;

　　α-钢管线胀系数1.22×10-5,m/℃.m；

　　β-泊桑系数0.3;

　　γ-土壤平均容重1700kg/m3

　　δ热-应力（压应力）,kg/cm2;

　　δ内-泊桑应力（拉应力）,kg/cm2;

　　δ轴-轴向应力,kg/cm2；

　　θ-土壤内摩擦角,θ=30°;

　　μ-土壤与管道的摩擦系数0.4。

作者单位：

徐宝平　孙树林　天津经济技术开发区总公司建设部，天津300457