某大型集中供熱熱力網管線設計

于 蕾

(太原市熱力設計有限公司，山西 太原 030012)

在城鎮熱水熱力網管道敷設的時候，高溫熱水直埋管道由于不占用地上空間、不需要在地下建地溝、造價低、防腐絕緣性能好、使用壽命長、占地少、施工周期短、減少施工擾民等優點，從而具有顯著的社會效益、經濟效益和節能效益。所以，在熱水熱力網管道地下敷設時，直埋敷設方式在城市集中供熱中被廣泛采用。直埋敷設熱水管道應采用鋼管、保溫層、保護外殼結合成一體的預制保溫管道。

在進行城市熱力網直埋熱水管道設計的時候，需要根據其具有的特點而采取相應的措施，需要注意以下幾個方面:由于土壤和保溫層外表面的摩擦力限制直埋敷設的供熱管道的自由伸縮，所以在直管段上，管道熱脹冷縮時無法克服土壤與管道之間的摩擦力，出現了“錨固段”，在錨固段的管線完全處于錨固狀態，管道的熱伸長應變完全變為軸向應力留存在管壁上，所以在進行直埋熱水管道設計計算時，應對錨固段的應力進行詳細驗算，管線上設置閥門的時候，避開在錨固段安裝閥門;直埋供熱管道彎曲部分敷設在土壤上面時，由于摩擦力約束作用的影響，當管道熱伸長時，直埋管道僅使彎頭附近很短的直管引起側向位移，使熱變形集中在彎頭附近，使得彎頭受擠壓變形而出現顯著的側向位移和扁平變形，所以對彎頭部分要進行應力驗算，在設計中，通常將彎頭的管子壁厚增加2 mm，并且在彎頭處采用軟回填的方式減小土壤與管道之間的摩擦力，從而保證供熱管道運行中的安全。在三通設計過程中，三通處應力集中，受力較大，在設計中應加大三通主管壁厚，提高三通的總體強度，在開孔處采取必要的加固措施從而減少三通開孔處的變形。

供熱管道在運行中，鋼管的熱脹冷縮是不可避免的，所以不論是有補償安裝還是無補償安裝，都需要設置補償器來吸收管段的熱變形。總結近幾十年的運行經驗，在供熱管網設計中，補償器同樣也是整個供熱管網中的薄弱環節，一旦補償器出現變形導致漏水，都會對管段甚至整個供熱管網造成影響。在設計中，應盡量減少補償器的設置，盡力創造條件采用無補償敷設。無補償敷設即在長直管線上不專門設置補償器，只有自然形成的彎管補償器，或者自然形成的彎管補償器不能滿足要求時設置少量補償器進行保護。

在設計中，采用無補償直埋敷設的方式。大大減少了補償器和固定墩的數量。但為了確保閥門、三通和彎頭在管道的熱脹冷縮中不會受到損壞，需要設置補償器和固定墩加以保護，充分利用土壤的摩擦力來減少固定墩和補償器的數量。在供熱管網運行過程中，地下水滲漏進小室中，從而導致補償器和閥門等管道附件銹蝕、漏水，因此保證小室內的干燥也是設計人員需要重點考慮的問題，采用成品的剛性穿墻止水套管，能夠有效防止地下水滲漏至小室中，保證供熱管道小室內的干燥和管道附件的安全。

下面以我院設計的一個工程實例對大型集中供熱熱力網的設計進行簡單介紹。

1 工程概況

管網設計壓力1.6 MPa，設計供回溫度130 ℃/70 ℃，設計管徑為700，設計供熱能力為370 萬m2，設計熱負荷為236 MW，DN700 主管線設計長度為5 km。管線設計采用無補償直埋敷設方式進行設計，因地制宜選取合理的設計方式。采用供熱直埋管道設計計算軟件對工藝管道模型進行應力計算，在盡量減少補償器使用的情況下保證了管道的安全。由于部分管道在高架橋下敷設，根據管線綜合多次調整管位，充分發揮自然補償的優勢并保證彎頭的安全。供熱管線沿線管位復雜，由于并州路全線為快速路，大路口高架，小路口平交，地形反復變化，供熱管線根據管線綜合多次變換管位。當管位變化較大時，充分利用管線的自然補償;當管位變化較小，需采用必要措施對彎頭進行保護，減小彎頭應力變形。

采用頂管方式穿越部分障礙管線及路口。選用優質穿墻止水套管及進口焊接蝶閥，保證小室內干燥及供熱系統的安全。本工程供熱主干線全線在城市主干道下敷設，地下敷設有城市的雨水管、污水管、給水管、煤氣管以及各種電纜等。前期需盡可能核實各類管線信息，認真勘測，設計精心布置管線標高，合理避讓了各種交叉與沖突，本著設計先行的理念，充分做好前期工作，降低工程難度，縮短工程時間。

2 管道設計

設計參數取用表見表1。

表1 管道設計參數取用表

管道采用預制保溫管，鋼管為螺旋焊縫鋼管，材質為Q235B，DN700 鋼管壁厚為10 mm。

1)無補償管段的應力驗算。

對于DN700 管道，計算可得:

因此可以進行無補償冷安裝。

2)無補償管段整體穩定性驗算。

管道最大軸向力:

初始撓度應按下式計算:

當f0＜0.01 m 時，f0取0.01 m。

垂直荷載應按下式計算:

其中，GW為每米長管道上方的土層重量，N/m;G 為每米長預制保溫管自重(包括介質在內)，N/m;SF為每米長管道上土方的剪切力，N/m;K0為土壤靜壓力系數;φ 為土壤的內摩擦角。

直埋置管段上的垂直載荷應符合下式要求:

對于DN700 管道，根據以上公式，當管頂覆土為1.5 m 時可滿足豎向穩定性要求，本設計覆土H≥1.5 m，可滿足要求。

3)無補償管段局部穩定性驗算。高溫水直埋管道(Q235 鋼)錨固段軸向失穩的臨界徑厚比，其值為Rm/δ ＜40.1;DN700 保溫管，Rm/δ=34.13 ＜40.1，滿足要求。

4)彎頭設計。管道彎頭選用焊制或沖壓彎頭，三通均采用跨越型式，焊縫探傷要求符合Ⅱ級標準。彎頭應力計算公式如下:

根據上述計算，本工程在無補償直埋敷設的主干線段彎頭采用R=3.0DN 的預制保溫彎頭，其他支線彎頭采用R=1.5DN 的預制保溫彎頭，支線分支開口處采用R=1.5DN 的壓制彎頭。彎頭許用應力為375 MPa，各個彎頭計算結果均滿足要求。

5)三通設計。開口分支處主線位移小于50 mm，滿足規范要求，三通均加強，采用肋板加強式加固方案。

6)補償器驗算。管網補償器補償量驗算需乘以安全系數1.2，DN700 套筒補償器補償量為400 mm，補償器吸收熱伸長均不超過該值，滿足要求。

7)閥門設計。閥門都與補償器相連接，閥門采用金屬硬密封焊接閥門，主線錨固段內不設置閥門。

3 管線參數設計

1)保溫管外殼與土壤單長摩擦力計算:

本設計管頂覆土H 取1.5 m，最大摩擦系數取0.4，最小摩擦系數取0.2。

計算得最大單長摩擦力:Fmax=36 278.4 N/m。

最小單長摩擦力Fmin=18 139.2 N/m。

2)屈服溫差計算:

計算得ΔTy=106.51 ℃。

3)過渡段最大長度:

當t1－t0＞ΔTy時，t1－t0=ΔTy。

計算安裝溫度取－5 ℃。

供水管130 ℃，t1－t0=135 ℃＞ΔTy。

計算的過渡段最大長度Lmax=298.8 m。

4)補償器拉脫距離:

a.盲板力按管道截面積計算:

b.彎頭兩側與補償器距離:

L=(最大盲板力)盲板力/管道最小摩擦力=51.2 m。

4 結語

在設計中通過增加彎頭、三通的壁厚，對三通開口處進行加強處理，適當運用固定墩和補償器來保護三通和彎頭的安全，采用金屬硬密封焊接閥門，主線錨固段內不設置閥門以及在管道穿小室的地方采用成品剛性穿墻止水套管的方法，能充分保證供熱管網在運行中的安全。通過三個采暖季的運行檢驗，該設計的DN700 供熱管線沒有發生任何問題，證明了我們的設計是合理的，安全的，也證明了只要技術問題處理得當，管徑已經不是直埋技術的主要問題。通過技術人員的不斷努力，大管徑熱水管道的直埋技術會越來越完善。

［1］王 飛，張建偉.直埋供熱管道工程設計［M］.第2 版.北京:中國建筑工業出版社，2011.

［2］CJJ 34—2010，城鎮供熱管網設計規范［S］.

［3］CJJ/T 81—2013，城鎮供熱直埋熱水管道技術規程［S］.