供熱直埋管道覆土預(yù)熱安裝的研究

史旭東

山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院

供熱直埋管道覆土預(yù)熱安裝的研究

史旭東

山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院

根據(jù)《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T81-2013）一次性補(bǔ)償器覆土預(yù)熱的理論，對(duì)工程實(shí)例中DN1200預(yù)制直埋保溫管一次性補(bǔ)償器間距、預(yù)熱溫度和預(yù)熱管段伸長(zhǎng)量進(jìn)行研究，其理論對(duì)工程實(shí)際有很大的指導(dǎo)意義。減小一次性補(bǔ)償器間距和選擇較低的預(yù)熱溫度，在保證管道升溫不屈曲的基礎(chǔ)上也保證了管道降溫的安全性。

供熱管道 一次性補(bǔ)償器 覆土預(yù)熱 預(yù)熱溫度

0 引言

在冷安裝技術(shù)處理難度大的工程中應(yīng)優(yōu)先采用預(yù)熱安裝。如地形復(fù)雜、分支多、平面折彎多、高程起伏大、地下障礙多、地質(zhì)條件不好等條件下，采用冷安裝施工質(zhì)量難以保證、安全隱患多，此時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮預(yù)熱安裝。在無(wú)補(bǔ)償冷安裝管道固定墩推力大到難以實(shí)施時(shí)，或在安定性條件滿足的情況下，管道局部屈曲應(yīng)力驗(yàn)算通不過(guò)，或無(wú)補(bǔ)償冷時(shí)安裝會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)，預(yù)熱安裝也是一種解決方案[1]。

設(shè)置一次性補(bǔ)償器的覆土預(yù)熱：在管道的直線部分，按一定間距安裝一次性補(bǔ)償器。補(bǔ)償器間距的大小以保證直管段熱膨脹量能夠釋放給一次性補(bǔ)償器為出發(fā)點(diǎn)。除一次性補(bǔ)償器外，其余溝槽立即回填，再進(jìn)行預(yù)熱升溫。升溫達(dá)到或超過(guò)預(yù)熱溫度，逐個(gè)觀測(cè)一次性補(bǔ)償器，哪個(gè)補(bǔ)償器熱膨脹量達(dá)到計(jì)算值，就將那個(gè)補(bǔ)償器焊死，直到全部焊死為止[1～3]。

合理布置一次性補(bǔ)償器間距是個(gè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)問(wèn)題，一次性補(bǔ)償器間距越大，補(bǔ)償器數(shù)量越少，施工越簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性越好，但由于補(bǔ)償器間距大，管道受覆土摩擦力的阻礙，其熱伸長(zhǎng)越不容易膨脹，且一次性補(bǔ)償器降溫拉應(yīng)力越大，存在降溫拉斷的可能，故合理布置補(bǔ)償器間距和控制管道熱伸長(zhǎng)量是一次性補(bǔ)償器覆土預(yù)熱成敗的關(guān)鍵[1]。下面分析《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》CJJ/T81-2013（以下簡(jiǎn)稱“新規(guī)程”）[4]中一次性補(bǔ)償器間距和熱伸長(zhǎng)量的確定。

1 “新規(guī)程”

一次性大小補(bǔ)償器間距與管道所允許的軸向力有關(guān)，允許軸向力由管道局部屈曲極限狀態(tài)決定。一次性補(bǔ)償器布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 一次性補(bǔ)償器布置圖

圖1中：（1）為一次性補(bǔ)償器處允許拉應(yīng)力σt-all；（2）為駐點(diǎn)處允許壓應(yīng)力σc-all；（3）為冷態(tài)下一次性補(bǔ)償器預(yù)留長(zhǎng)度；（4）為駐點(diǎn)；（5）為最小循環(huán)溫度T2下管道軸向力曲線；（6）為設(shè)計(jì)溫度T1下管道軸向力曲線；（7）為循環(huán)溫差T1-T2下軸向力變化范圍；（8）為駐點(diǎn)處在預(yù)應(yīng)力溫度（一次性補(bǔ)償器閉合溫度Tdp）下軸向應(yīng)力；（9）為一次性補(bǔ)償器處設(shè)計(jì)溫度T1下軸向應(yīng)力；（10）為一次性補(bǔ)償器之間允許的距離；（11）為一次性補(bǔ)償器與駐點(diǎn)允許的距離；（12）為一次性補(bǔ)償器處管道一側(cè)的位移量。

“新規(guī)程”規(guī)定：預(yù)熱管段的計(jì)算安裝溫度不宜高于管道工作循環(huán)平均溫度，根據(jù)冷態(tài)拉應(yīng)力和熱態(tài)壓應(yīng)力相等的原理，可得直埋管道的平均應(yīng)力溫度為[6]：

式中：tms為直埋管道的平均應(yīng)力溫度，℃；T1為管道工作循環(huán)最高溫度，℃；T2為管道工作循環(huán)最低溫度，℃；泊松系數(shù)；σt,1為管道最大工作壓力引起的環(huán)向應(yīng)力，MPa；σt,2為管道冷運(yùn)行壓力引起的環(huán)向應(yīng)力，運(yùn)行壓力應(yīng)達(dá)到工作壓力，MPa；α為鋼材的線性膨脹系數(shù)，m/(m·℃)；E為直埋保溫管鋼管的彈性模量，MPa。

對(duì)一次性補(bǔ)償器的間距給出明確的規(guī)定，一般是按照預(yù)熱溫度對(duì)應(yīng)的最小過(guò)渡段長(zhǎng)度來(lái)確定一次性補(bǔ)償器到固定墩或者駐點(diǎn)的距離，其計(jì)算公式為：

式中：Lall為一次性補(bǔ)償器距駐點(diǎn)允許距離，m；σt為供熱管道預(yù)熱時(shí)的環(huán)向應(yīng)力，MPa；T0為管道預(yù)熱安裝時(shí)的環(huán)境溫度，℃；A為鋼管的截面積，m2；F為保溫管道單長(zhǎng)摩擦力，N/m。

覆土預(yù)熱溫度[7]：

一次性補(bǔ)償器一側(cè)最大位移量u計(jì)算公式為：

式中：u為一次性補(bǔ)償器一側(cè)最大位移量，m。

一次性補(bǔ)償器兩側(cè)最大位移量2u。

熱伸長(zhǎng)計(jì)算公式為：

2 案例分析

某市集中供熱一次管網(wǎng)的冷運(yùn)壓力為2.0MPa，工作壓力為1.6MPa，鋼管規(guī)格為DN1200（外徑為1.22m，壁厚為14mm），設(shè)計(jì)供回水溫度為130/70℃，采用電預(yù)熱安裝過(guò)程中室外大氣溫度為17℃，最低循環(huán)溫度為10℃，α=12.6×10-6m/(m·℃)，E=19.6×104MPa，F(xiàn)=34352N/m，管頂平均覆土1.0m。

由式（1）可得到其預(yù)熱計(jì)算安裝溫度tms=60.69℃。

由式（1）和式（2）可得一次性補(bǔ)償器距駐點(diǎn)允許距離Lall=166.60m。

由式（3）可得一次性補(bǔ)償器焊接溫度（閉合溫度）Tdp=82.54℃。

由式（4）可得一次性補(bǔ)償器一側(cè)最大位移量u= 0.0917m=91.7mm。

預(yù)熱段管線長(zhǎng)度為510m，兩端為自由端，中間兩處為一次性補(bǔ)償器，見(jiàn)圖2。除自由端和一次性補(bǔ)償器處，其余全部回填至管頂1.0m。

圖2 預(yù)熱管段布置圖

根據(jù)以上計(jì)算，為保證管道預(yù)熱管道冷運(yùn)時(shí)一次性補(bǔ)償器不被拉斷，最終確定預(yù)熱溫度為55℃，為了減小預(yù)熱的最終溫度，補(bǔ)償器與自由端以及補(bǔ)償器之間間距遠(yuǎn)小于理論間距。

由式（4）可得此預(yù)熱管段總的伸長(zhǎng)量u總= 0.244m=244mm。

由式（5）可得Tdp=66.18℃。

預(yù)熱記錄參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 預(yù)熱管段預(yù)熱溫度（℃）和伸長(zhǎng)量（mm）記錄

從表1可得達(dá)到預(yù)熱理論伸長(zhǎng)量244mm，供回水管道預(yù)熱溫度為62℃，而理論計(jì)算預(yù)熱溫度為66.18℃，其值比較接近；從表1中也可以看出升溫初期管道熱伸長(zhǎng)滯后，主要是因?yàn)槌跗诠艿垒S向力小，土壤摩擦力阻礙管道的伸長(zhǎng)，隨著溫度的升高，管道軸向力增加，其過(guò)渡段長(zhǎng)度增加，整個(gè)預(yù)熱管段已經(jīng)全部處于過(guò)渡段中，故伸長(zhǎng)量的增量不受摩擦力的影響；預(yù)熱后期隨著溫度的升高，熱伸長(zhǎng)基本沒(méi)有變化，主要原因是管槽開(kāi)始回填，管道的摩擦力增加，升溫增加的軸向力不能克服增加的摩擦力，故熱伸長(zhǎng)沒(méi)有變化。

3 結(jié)論

1）供熱管道一次性補(bǔ)償器覆土預(yù)熱中，在確定一次性補(bǔ)償器間距和預(yù)熱溫度時(shí)都考慮了一次性補(bǔ)償器處降溫拉應(yīng)力和駐點(diǎn)處升溫壓應(yīng)力過(guò)大的問(wèn)題。

2）“新規(guī)程”的思想是在預(yù)熱溫度既要滿足管道不屈曲，又要降低降溫拉應(yīng)力造成管道或者補(bǔ)償器被拉斷的危險(xiǎn)[7～8]。與原來(lái)采用循環(huán)中溫作為預(yù)熱溫度，安全性更高了。

3）在布置一次性補(bǔ)償器間距時(shí)，適當(dāng)減小一次性補(bǔ)償器間距，可以有效地降低最終預(yù)熱溫度。

4）隨著預(yù)熱溫度的升高，預(yù)熱管段過(guò)渡段長(zhǎng)度增加，錨固段減小，當(dāng)溫度升高到一定溫度時(shí)，整個(gè)預(yù)熱段都變?yōu)檫^(guò)渡段。

5）理論計(jì)算預(yù)熱溫度是按照最大摩擦系數(shù)計(jì)算的，而實(shí)際預(yù)熱溫度值小于理論計(jì)算值，原因有以下幾點(diǎn)：摩擦系數(shù)值達(dá)不到最大摩擦系數(shù)值；覆土深度與設(shè)計(jì)值有偏差；回填土的壓縮系數(shù)與施工要求有偏差等。

[1]王飛,張建偉,王國(guó)偉.直埋供熱管道工程設(shè)計(jì)(第二版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2014

[2]王玉峰.城市供熱管道一次性補(bǔ)償預(yù)熱施工方法[J].青島理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,27(6):121-124

[3]Design and Installation of Preinsulated Bonded Pipe System for District Heating(BS EN13941)[S].London:Standards Policy and Strategy Committee,2009

[4]城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程(CJJ/T 81-2013)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2013

[5]蘭德勞皮夫.區(qū)域供熱手冊(cè)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,1998

[6]王飛,王國(guó)偉,鄒平華.基力的直埋于平均應(yīng)供熱管道預(yù)熱溫度的研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,42(12):1985-1989

[7]王飛,王國(guó)偉,孫剛.直埋管道預(yù)熱安裝的安全性研究[J].材料科學(xué)與工藝2009,17(2):203-207

[8]郭小輝,韓國(guó)明,趙健.供熱管道一次性補(bǔ)償器斷裂原因分析[J].壓力容器,2006,23(10):27-30

Re s e a rc h of Dire c tly Burie d He a ting Pipe of Ove rburde n Pre he a ting Ins ta lla tion

SHI Xu-dong
Shanxi Academy of Urban＆Rural Planning and Design

Based on the theory of technical spceification for Directly Buried Hot-water Heating Pipeline in City (CJJ/T81-2013)in one-off compensator of overburden preheating,the paper gives a study of the compensator spacing, preheating temperature and elongation of preheating pipes to DN1200 prefabricated directly buried insulating pipe used in engineering projects.The theoretical calculation value is of great significance for practical engineering.Reducing compensator spacing and choosing the lower preheating temperature,will ensure the safety of the pipeline while cooled, on the basis of ensuring the pipeline does not buckle while heated.

heating pipeline,one-off compensator,overburden preheating,preheating temperature

1003-0344（2015）05-067-3

2014-7-18

史旭東（1972～），男，大學(xué)，高工；山西省太原市新建南路9號(hào)（030001）；E-mail:77252084@qq.com