某供熱直埋敷設設計要點分析

2015-02-03 02:45:34郭震環(huán)

山西建筑 2015年21期

關鍵詞：工程設計

郭震環(huán)

(太原市熱力公司，山西太原 030012)

1 工程概況

本工程為某縣集中供熱工程主干線一次網(wǎng)直埋設計。設計供水溫度120℃，回水溫度70℃，設計壓力1.6 MPa，起點位于某熱電廠。終點確定的管網(wǎng)末端與鍋爐房原供熱管網(wǎng)對接。

2 現(xiàn)場踏勘和管道的初步敷設方案

2.1 現(xiàn)場踏勘

本工程供熱管網(wǎng)距離遠，地形復雜，設計前需要做詳細的現(xiàn)場踏勘。管道從熱電廠引出后，沿道路西側向南敷設，躲過一個大轉盤中央的標志物，然后穿越農田、河流、公路等敷設進入縣城。

2.2 管位及敷設方案設計

主管為DN600的預制直埋保溫管，管道埋深控制在管中1.5 m，以節(jié)約投資并滿足規(guī)程要求。管線沿途四處地形高差較大，確定采用大角度彎頭豎向敷設。在穿越國道處采用拖管方式。穿越河流處采用架空敷設方式。拖管方案由施工單位和設計院共同確定。

2.3 預熱

為節(jié)約工程成本，主要采用無補償冷安裝敷設。四處地形大高差地段豎向彎頭兩側安裝一次性補償器，豎向彎頭前后覆土，覆土時留出一次性補償器位置，打壓合格后切斷管道再焊接一次性補償器。系統(tǒng)冷運行完成后，電廠(熱源)升溫，供水溫度升到約58℃，恒溫觀察一次性補償器的伸長量，待預留量閉合后再焊死。豎向彎頭曲率半徑為3DN，以保證強度驗算合格和延長使用壽命。采用一次性補償器覆土預熱的預熱溫度，按下式計算:

根據(jù)上式計算得預熱溫度tdp約為68℃(說明取58℃)。

2.4 分段試壓

為保障工程進度，確定采用分段施工及分段試壓，設計要求每段都有泄水裝置，且保證能夠在規(guī)范要求的時間內泄完水。一個獨立管段上應該是最低處滿足試驗壓力2.4 MPa。分段原則:熱水熱力網(wǎng)干線應裝設分斷閥門。輸送干線分斷閥門的間距為2 000 m～3 000 m，輸配干線分斷閥門的間距為1 000m～1 500m。

泄水按照管嘴出流方式計算:

其中，A為主管內橫截面面積，DN600管為0.297 m2;L為分段長度，取1 000 m;ζ為銳緣進口，取0.5;αB取1;μ為管嘴出流流量系數(shù)，取0.82;S為泄水管內截面面積，DN100管為0.007 85 m2; H0為作用水頭，m;ε為收縮系數(shù)，取1;φ為管嘴出流速度系數(shù)，0.82;H1-H2為高度差，為10 m。

根據(jù)上式計算得總水量Q總=297 m3，流量Q=0.090 2 m3/s，當只有一個泄水裝置泄水時，泄水所需時間T=3 290 s，約為0.914 h，小于規(guī)范規(guī)定的5 h～7 h，滿足要求。

2.5 管道壁厚的計算

由于本工程的重要性及復雜性，為保證采購管道的質量，現(xiàn)提供管道壁厚的計算。管道的理論計算壁厚應按下式計算:

其中，B為管道壁厚附加值，取0.8×10-3m。

管道壁厚附加值:B=χδt。

其中，χ為管道壁厚負偏差系數(shù)。

管道取用壁厚應采用不小于計算壁厚的最小公稱壁厚。

根據(jù)上式計算得DN600管道的理論計算壁厚δt=0.006 4 m，管道的計算壁厚δc=0.007 2 m，管道壁厚取8 mm。

3 水力計算、管網(wǎng)的坐標和里程標注

1 )熱負荷計算:根據(jù)甲方提供的資料，現(xiàn)有和規(guī)劃供熱面積，據(jù)此確定熱指標，并計算出熱負荷:Q=q×FW(本工程甲方提供詳細熱負荷調查資料)。2)主干線管徑的確定:根據(jù)各換熱站所帶供熱面積情況，以及規(guī)范推薦的30 Pa/m～70 Pa/m的經(jīng)濟比摩阻確定主干線各管段的管徑，并計算各段的阻力損失:G=0.86×kg/h。3)支管管徑的確定:支管管徑按照并聯(lián)環(huán)路的允許壓力降確定，并按照《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設計規(guī)范》規(guī)定，控制比摩阻的上限為300 Pa/m和流速的上限3.5 m/s。4)計算主干線阻力，估算熱源、換熱站阻力。5)提出首站循環(huán)泵揚程和流量。

4 直管道熱力設計

4.1 長直管段的強度條件

本設計循環(huán)溫差110℃，低于規(guī)程彈塑性分析法控制的最大溫差，即從直管段考慮，允許進入錨固，無需控制過渡段長度，無補償冷安裝直埋敷設驗算通過。

直管道第三強度應力:σj=(1-v)σt-αE(t2-t1)≤3［σ］= 375 MPa。

據(jù)上述公式可得DN600管環(huán)向應力σt=54.4 MPa，相當應力σj=308.476 MPa，直管道冷安裝是安全的。彈塑性分析法計算控制的最大溫差為132.5℃，而本工程110℃，也可以說明本工程DN600采用無補償冷安裝是安全的。

4.2 無補償管段整體穩(wěn)定性條件

由于管道最小埋深都滿足垂直穩(wěn)定性要求的最小覆土深度，因此整體穩(wěn)定性驗算通過。

管道最大軸向力:Na=［α(t1-t0)-vσt］A×106。

垂直荷載:Q=GW+G2+2Sf。

對于DN600管道，根據(jù)以上公式，當管頂覆土為0.34 m時可滿足豎向穩(wěn)定性要求，本設計覆土H≥1.5 m，可滿足要求。

4.3 無補償管段局部穩(wěn)定性條件

如果管道受壓達到某極限值時，也會喪失穩(wěn)定性。在喪失穩(wěn)定性時，它仍然具有環(huán)形的圓截面，但是破壞了母線的直線性，母線產(chǎn)生了波線，這種現(xiàn)象稱為薄壁圓柱殼的軸向屈曲。當薄壁圓柱殼上的軸向應力高于材料的屈服極限，稱為塑性屈曲。

局部屈曲驗算有下列幾種方法:

1 )方法1:根據(jù)BSEN 13941:2003可得不發(fā)生局部屈曲的最大溫升值。當≤28.7時，t1-t2≤130℃，當＞28.7時，t1-t2≤℃。當最大溫差滿足以上條件時，采用冷安裝，否則采用預應力安裝或者有補償安裝(解釋:預應力和有補償不是同一個問題)。條件中忽略了內壓的影響，內壓的存在會減小管道發(fā)生局部屈曲的概率。內壓有兩個作用，一是“氣球效應”;二是可以抵消一部分因熱膨脹產(chǎn)生的軸向壓力(歐洲規(guī)范若用于我國，由于雙方材料屈服極限較大，經(jīng)計算得到的壁厚太大，故不采用)。

2 )方法2:JB 4732—1995鋼制壓力容器—分析設計標準，根據(jù)經(jīng)典的彈性穩(wěn)定理論，提出直埋管道局部屈曲的許用軸向臨界壓應力為:σcr=0.062 5·E。其中，σcr為直埋管道局部屈曲的許用軸向臨界壓應力，MPa;δ為鋼管壁厚，mm;R0為鋼管外半徑，mm。根據(jù)CJJ/T 81—98規(guī)程規(guī)定，當管道的溫升高于屈服溫差時，高溫水直埋管道錨固段的最大軸向溫度應力為1.3［σs］，其中系數(shù)1.3為屈服極限增強系數(shù)。如果σcr≥1.3σs，則管道不會發(fā)生局部失穩(wěn)。σcr=0.062 5E＞1.3［σs］=1.3×235=305.5。所以推出無補償冷安裝時鋼管的臨界徑厚比＜40.1。對常用的設計回水溫度小于70℃的回水管道和預熱中間溫度小于70℃的預應力安裝管道，σz=αEΔT=172.87 MPa。由公式σz=σcr得出其臨界徑厚比為:≤71。方法2存在的缺陷:a.只是考慮局部失穩(wěn)，公式本身難以判別是否滿足彈塑性條件。b.和供水管道的實際安裝溫差無關，取最大屈服溫差顯得保守，但不知余量到底有多大。c.預熱安裝條件沒有考慮到預熱安裝初期管道受力的不均勻性。較高的預熱溫度也給降溫管道較大的拉應力帶來危險(預熱管道降溫拉斷)。d.沒有考慮壓力帶來的影響。

3 )方法3:JB 4732—1995鋼制壓力容器—分析設計標準提出直埋管道局部屈曲的許用軸向臨界壓應力為: