大管徑長(zhǎng)輸熱網(wǎng)特殊節(jié)點(diǎn)處理及保溫管道設(shè)計(jì)

崔 燕，王 磊，劉 磊， 聶 克，李明強(qiáng)

(1.泰安市泰山城區(qū)熱力有限公司，山東 泰安 271000；2.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，天津 300392)

1 概述

泰安市城區(qū)外主熱源至主城區(qū)長(zhǎng)輸熱網(wǎng)項(xiàng)目的主干線長(zhǎng)度約17.5 km，其中DN 1 200 mm主干線長(zhǎng)度約12.5 km，DN 900 mm主干線長(zhǎng)度約5 km。設(shè)計(jì)壓力為2.0 MPa，設(shè)計(jì)供水溫度為120 ℃，設(shè)計(jì)回水溫度為60 ℃。供熱管道主要敷設(shè)于非機(jī)動(dòng)車道、農(nóng)田以下，全部采用直埋敷設(shè)方式。自2019年3月15日開始方案設(shè)計(jì)，2019年11月15日全線投入運(yùn)行。本文結(jié)合該項(xiàng)目，對(duì)長(zhǎng)輸熱網(wǎng)特殊節(jié)點(diǎn)(主要為穿越城市道路、鐵路、河流節(jié)點(diǎn))處理及保溫管道設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

2 特殊節(jié)點(diǎn)處理

① 穿越城市道路

主干線與城市道路交叉6處。在供熱管道穿越城市道路時(shí)，主要采用人工頂管施工。與機(jī)械頂管施工相比，人工頂管施工成本低，能適應(yīng)大卵石地層，噪聲小。施工過(guò)程開挖小，對(duì)周圍造成的影響比較小。

過(guò)路供熱管道采取供、回水管道分設(shè)鋼質(zhì)外護(hù)套管方式，DN 1 200 mm管道選用D1820×20鋼套管，DN 900 mm管道選用D1520×18鋼套管。

② 穿越鐵路

DN 900 mm主干線與京滬高鐵泰安段交叉1處。經(jīng)鐵路部門審批，利用現(xiàn)狀鐵路預(yù)留箱涵(為可通行箱涵)穿越供熱管道。采取供、回水管道分設(shè)鋼質(zhì)外護(hù)套管方式，采用D1520×22的螺旋焊縫鋼管作為外護(hù)套管，鋼材為L(zhǎng)360，管外壁采用3PE加強(qiáng)級(jí)外防腐，管內(nèi)壁采取噴鋅處理，外護(hù)套管焊縫接頭處采用輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮套防護(hù)。設(shè)置犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)措施，以保證外護(hù)套管的使用壽命。穿越完成后，采用C30混凝土將外護(hù)套管與箱涵間的空隙填滿，徹底封堵箱涵。

③ 穿越河流

主干線與泮河、梳洗河各交叉1處。過(guò)河供熱管道采用C30鋼筋混凝土箱涵穿越，箱涵頂位于河道沖刷深度以下2 m。這種穿越河流方式不遮擋河道行洪斷面，對(duì)河道泄洪無(wú)影響。

泮河河道軟弱，在進(jìn)行箱涵地基處理時(shí)，雖然進(jìn)行了降水操作，但仍然無(wú)法通過(guò)常規(guī)方式完成混凝土支模澆筑。因此，穿越泮河項(xiàng)目采用拋石擠淤技術(shù)進(jìn)行地基處理，選用直徑均大于300 mm的石頭，從高側(cè)坡腳向低側(cè)坡腳填筑，當(dāng)石頭露出河底淤泥后，采用小石塊處理平整，隨后進(jìn)行基礎(chǔ)處理。

3 保溫管道設(shè)計(jì)

3.1 工作管

① 鋼材

對(duì)于城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道，DN 200 mm及以下常采用無(wú)縫鋼管，選用20鋼。DN 250 mm及以上采用螺旋焊縫鋼管，常用的鋼材有Q235B、L290、Q355B。

從化學(xué)成分角度分析，Q355B、L290各項(xiàng)指標(biāo)控制比Q235B更為嚴(yán)格。從力學(xué)性能角度分析，Q355B在屈服極限、抗拉強(qiáng)度上明顯優(yōu)于L290、Q235B。從物理特性角度分析，對(duì)于城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道(供水溫度不超過(guò)150 ℃)，Q355B的受熱伸長(zhǎng)量最小，從變形協(xié)調(diào)角度更適用。

Q235B鋼材：屈服極限235 MPa，許用應(yīng)力125 MPa，線膨脹系數(shù)12.2×10-6K-1。L290鋼材：屈服極限290 MPa，許用應(yīng)力138 MPa，線膨脹系數(shù)11.1×10-6K-1。Q355B：屈服極限355 MPa，許用應(yīng)力156 MPa，線膨脹系數(shù)9.1×10-6K-1。

② 鋼管壁厚

直埋熱水管道的管壁厚度計(jì)算、熱伸長(zhǎng)量計(jì)算及應(yīng)力驗(yàn)算應(yīng)按CJJ/T 81—2013《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》的第5章規(guī)定執(zhí)行。管道的壁厚有多種限制因素：一次應(yīng)力驗(yàn)算、安定性分析、局部穩(wěn)定性驗(yàn)算、徑向穩(wěn)定性驗(yàn)算、整體穩(wěn)定性驗(yàn)算，并綜合考慮大管徑管道抵抗局部屈曲、管道腐蝕、磨損。安裝方式選取無(wú)補(bǔ)償冷安裝，安裝溫度取10 ℃。

3種鋼材工作管計(jì)算壁厚見表1。對(duì)于該項(xiàng)目，當(dāng)工作管采用Q235B時(shí)，DN 1 200 mm供、回水管的取用壁厚分別選取16、14 mm，DN 900 mm供、回水管的取用壁厚均選取12 mm。當(dāng)工作管采用L290時(shí)，DN 1 200 mm供、回水管的取用壁厚分別選取14、12 mm，DN 900 mm供、回水管的取用壁厚均選取10 mm。當(dāng)工作管采用Q355B時(shí)，DN 1 200 mm供回水管的取用壁厚分別選取14、12 mm，DN 900 mm供回水管的取用壁厚均選取10 mm。

③ 工作管購(gòu)置費(fèi)

根據(jù)鋼材價(jià)格，設(shè)計(jì)壓力2.0 MPa條件下，采用Q235B的工作管購(gòu)置費(fèi)為5 830×104元。與工作管鋼材采用Q235B相比，當(dāng)采用L290、Q355B時(shí)，由于工作管壁厚減薄，工作管購(gòu)置費(fèi)反而出現(xiàn)下降。

綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性后，工作管鋼材選用Q355B。

3.2 外護(hù)層、保溫層生產(chǎn)工藝

保溫層(硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料)厚度按CJJ/T 81—2013《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》第3.2節(jié)給出的方法計(jì)算(忽略外護(hù)層)[1]。除控制保溫層外表面溫度不超過(guò)50 ℃外，還根據(jù)GB 50264—2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B的規(guī)定，要求最大允許熱損失小于等于104 W/m2。計(jì)算時(shí)，土壤熱導(dǎo)率取1.5 W/(m·K)，DN 1 200 mm供回水管道水平中心距取1.72 m，DN 900 mm供回水管道水平中心距取1.45 m，管頂覆土深度取1.5 m，聚氨酯保溫材料熱導(dǎo)率取0.033 W/(m·K)。符合設(shè)計(jì)要求的保溫層厚度見表2。

在保溫層厚度一致的前提下，外護(hù)層(高密度聚乙烯)、保溫層的傳統(tǒng)管中管工藝成本、噴涂纏繞工藝成本分別見表3、4。表中的單價(jià)指包含外護(hù)層、保溫層在內(nèi)的單位長(zhǎng)度造價(jià)。

表3 傳統(tǒng)管中管工藝成本

表4 噴涂纏繞工藝成本

由表3、4可知，對(duì)于該工程，傳統(tǒng)管中管工藝成本、噴涂纏繞工藝總成本分別為10 094.75×104、8 034.25×104元。與傳統(tǒng)管中管工藝成本相比，噴涂纏繞工藝成本低20.4%。

噴涂纏繞工藝不僅成本低，而且避免了傳統(tǒng)管中管工藝存在的外護(hù)管開裂問(wèn)題，為大管徑直埋供熱管道的安全運(yùn)行提供了保障[2]。因此，外護(hù)層、保溫層的生產(chǎn)采用噴涂纏繞工藝。保溫層、外護(hù)層的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合GB/T 29047—2012《高密度聚乙烯外護(hù)管硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料預(yù)制直埋保溫管及管件》、GB/T 34611—2017《硬質(zhì)聚氨酯噴涂聚乙烯纏繞預(yù)制直埋保溫管》。