熱水直埋管道設計要點

孫 韜

當前，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們生活水平的逐步提高，對居住環(huán)境舒適性的要求也越來越高，集中供熱又是其中不可或缺的一項重要內(nèi)容。我國的集中供熱正處于由大中城市到小城市、經(jīng)濟發(fā)達的小城鎮(zhèn)的普及過程當中，在此過程當中，集中供熱管道的設計就顯得尤為重要，在供熱管道的敷設方式當中，直埋敷設又有著舉足輕重的地位。

在供熱管道直埋敷設設計當中，又主要分為蒸汽管道直埋和熱水管道直埋，熱水管道敷設方式又可分為直埋敷設、地上敷設和管溝敷設;蒸汽直埋管道的布置主要遵循CJJ 34-2002城市熱力網(wǎng)設計規(guī)范(以下簡稱《規(guī)范》)，蒸汽直埋管道的設計、施工、驗收及運行管理均應滿足CJJ 104-2005城鎮(zhèn)供熱直埋蒸汽管道技術規(guī)程的要求。地上敷設和管溝敷設熱力網(wǎng)管道的許用應力取值、管壁厚度計算、補償值計算及應力驗算應按DL/T 5366-2006火力發(fā)電廠汽水管道應力計算技術規(guī)程的規(guī)定執(zhí)行。

鑒于我國大部分地區(qū)城市供熱以熱水為主，本文僅就熱水直埋管道的設計要點做基本的闡述。

1 管道布置

1.1 熱水直埋管道的布置原則

1)城市道路上的熱力網(wǎng)管道應平行于道路中心線，并宜敷設在車行道以外的地方，同一條管道應只沿街道的一側敷設;2)穿過廠區(qū)的城市熱力網(wǎng)管道應敷設在易于檢修和維護的位置;3)通過非建筑區(qū)的熱力網(wǎng)管道應沿公路敷設;4)熱力網(wǎng)管道選線時宜避開土質(zhì)松軟地區(qū)、地震斷裂帶、滑坡危險地帶以及高地下水位區(qū)等不利地段。

1.2 熱水直埋管道管網(wǎng)布置形式

1)枝狀管網(wǎng)。從熱源引主干線沿城市道路向各熱用戶供熱，枝狀管網(wǎng)在我國城市供熱中被普遍采用，它形式簡單、投資費用低、運行管理方便，但它安全性較差，當管網(wǎng)中距離較近的主干線發(fā)生故障時，會影響較多的熱用戶用熱。

2)環(huán)狀管網(wǎng)。環(huán)狀管網(wǎng)是指供熱管網(wǎng)的主干線之間在適當?shù)奈恢眠B通構成環(huán)狀。環(huán)狀管網(wǎng)運行較安全可靠，局部發(fā)生故障，可通過環(huán)網(wǎng)供熱，但它的投資費用較高。《規(guī)范》規(guī)定:供熱面積大于1 000萬m2的熱網(wǎng)干線宜連接成環(huán)狀管網(wǎng)。

2 補償方式的選擇

2.1 無補償直埋敷設

在無補償直埋管道中，管道的固定是基于土壤與保溫管外護層的摩擦力來完成的，在供熱管道中，產(chǎn)生軸向位移的部分是過渡段，過渡段的位移吸收主要靠彎頭的變形來完成。在無補償直埋設計中，彎頭宜采用大倍率半徑彎頭，主輸送干線宜采用不小于2.5D半徑的彎頭，支線宜采用不小于2D半徑的彎頭，無補償直埋敷設在供水溫度不大于95℃的系統(tǒng)中應用最為廣泛。

2.2 有補償直埋敷設

在供熱介質(zhì)為高溫水(≥120℃)時，在不預熱的情況下，管道難以靠自身形成平衡狀態(tài)，此時，在管線上設置固定墩和補償器是必要的。在此過程中，應按照《規(guī)程》的要求進行摩擦力、壁厚、直管段摩擦力和熱伸長量的計算，以便進一步給土建專業(yè)提供設計資料和設備選型。

2.3 一次性補償直埋敷設

一次性補償指的是直埋管道在安裝時進行一定程度的預熱，使管道有一定程度的膨脹，補償器在預熱狀態(tài)下進行焊接安裝，一次性補償可減小工作狀態(tài)下的熱應力。相對于前兩種補償方式，一次性補償方式應用范圍較小。

在供熱系統(tǒng)中采取何種補償方式，雖有多種選項，但根據(jù)我國供熱管道技術發(fā)展的現(xiàn)狀，無補償安裝減少了固定墩和補償器的數(shù)量，減少了工程造價和后期維護工作量，雖在較高應力水平下運行，但不論是在理論計算上還是工程建設實例上，無補償直埋敷設都被證明是安全、可靠的，是符合我國國情發(fā)展現(xiàn)狀的。因此在設計中應遵循盡量避免整個管道中的有補償安裝，而只在局部薄弱部件處進行補償保護的原則。

3 保溫層的選擇計算

根據(jù)《規(guī)范》要求，直埋敷設熱水管道應采用鋼管、保溫層、外護管緊密結合成一體的預制管。國內(nèi)的直埋預制管主要有兩種，分別符合CJ/T 114高密度聚乙烯外護管聚氨酯泡沫塑料預制直埋保溫管和CJ/T 129玻璃纖維增強塑料外護層聚氨酯泡沫塑料預制直埋保溫管的規(guī)定。

直埋管道的保溫層經(jīng)濟厚度計算按下式計算:

其中，D為保溫層外徑，m;d為保溫層內(nèi)徑，m;t為介質(zhì)溫度，℃;t1為距地面 H處土壤溫度，℃;λ為保溫層熱導率，W/(m?K);α為保溫層外表向土壤的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2?K);b為現(xiàn)行熱價，元/(W?h);τ為年運行時間，h;p為保溫材料單位造價，元/m3;s為保溫工程投資年分攤率。

保溫層設計計算時應優(yōu)先采用經(jīng)濟保溫厚度，經(jīng)濟保溫厚度計算完畢后，因國內(nèi)的外護管為定型產(chǎn)品，所以還應根據(jù)保護層的特點選取合適外護管管徑，當經(jīng)濟保溫厚度不能滿足技術要求時，應按技術條件確定保溫層厚度。

4 受力計算及應力驗算

直埋供熱管道受力計算及應力驗算的主要任務是計算管道內(nèi)壓、外部荷載和熱脹冷縮引起的力、力矩和應力，從而確定管道的結構尺寸，采取適當?shù)拇胧ＷC管道的安全可靠和經(jīng)濟合理。國內(nèi)直埋管道的受力分析主要采用從國外引進的應力分析法。應力分析法認為根據(jù)不同的應力作用形式，管道會發(fā)生不同形式的破壞，應采用不同的應力驗算方法。

在供熱管道設計工作中，應進行管道鋼材的基本許用應力、壁厚、軸向力、熱伸長量的計算，還應進行轉角管段的應力驗算、管道的豎向穩(wěn)定性驗算。針對上述計算和驗算，《規(guī)程》中有詳細的計算公式和校驗公式，可作為計算和驗算的主要依據(jù)。在大口徑熱力管道(≥DN500)設計中，考慮到管道受到的靜荷載和活荷載可能對管道的徑向變形有較大影響，還應進行管道的徑向變形計算，計算均應按無內(nèi)壓狀態(tài)進行，其徑向變形量不得大于直徑的3%，其計算可參照GB 50253輸油管道工程設計規(guī)范中給定的公式進行。

5 結語

在整個熱力管網(wǎng)的設計中，以上幾點僅是需設計人員特別注意的幾個方面，還有如熱負荷計算、水力計算、管道附件的選擇等大量繁瑣的工作要做。在實際設計工作中，可借助輔助軟件進行計算、驗算;在不具備輔助軟件的條件下，也可根據(jù)《規(guī)程》提供的計算方法編制Excel表格自行計算，都能取得較好的計算結果。

前面對供熱直埋管道設計過程中的關鍵點進行了粗淺的分析，提出相應的理論基礎和解決思路，相信對相關設計人員的工作能有所裨益。

[1] 賀 平，孫 剛.供熱工程[Z].1993.

[2] CJJ 34-2002，城市熱力網(wǎng)設計規(guī)范[S].

[3] CJJ/T 81-98，城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術規(guī)程[S].

[4] 動力管道設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，2006.