關于蒸汽直埋供熱管道設計的研究

劉亞娟 張小燕

（西安市熱力總公司，陜西 西安 710016）

0 引言

隨著經濟的發展以及城市建設規模的不斷擴大，傳統地溝敷設的管道設計已經不適應當前建設的要求。而蒸汽直埋供熱管道由于具有占地面積小、管網使用壽命長、施工時間短等獨特的優勢而越來越成為當前城市供熱的發展趨勢。因此，筆者認為，在當前城市建設的背景下，對蒸汽直埋供熱管道設計的研究這一課題進行相關的探討具有非常重要的實際意義。

1 蒸汽直埋供熱管道的材料和保溫結構

1.1 蒸汽直埋供熱管道的材料

1)工作管。蒸汽直埋供熱管道的工作管最好是選擇流體的輸送管道，具體來說，當公稱通徑在300毫米或者以上時，可以選擇高頻的直焊縫管或者Q235A螺旋焊縫管，而當公稱通徑為250毫米或者在250毫米以內時，最好選擇20﹟鋼的無縫鋼管。工作管的焊接要采用對口焊接的技術，使用氬弧焊進行打底，電弧進行罩面，同時全部的焊縫要采用100%X光進行探傷檢驗。

2）外護管。外護管要選擇具有一定剛度、厚度以及強度的鋼管，并且要保證其能承受各種應力和動靜荷載，同時還要具有防水防腐以及連續密封的功能。外護管優先采用高頻直焊縫管或者Q235B螺旋焊接鋼管。且外護管要采用搭接角焊的技術，并采用100%超聲波進行探傷。

3）保溫材料。保溫材料應該要滿足以下特征：導熱系數小、機械強度好、耐熱性能好、以及無腐蝕、不易燃等。

1.2 蒸汽直埋供熱管道的保溫結構

保溫結構一般包括工作管、外護管、有機保溫管、無機保溫管以及防腐層、內滑動層、或者真空保護層等等。根據材料的硬度不一樣可以分為“硬胎”和“軟胎”的材料。一般來說，“硬胎”保溫的結構主要是內滑動層，“軟胎”保溫的結構主要是外滑動層。

2 蒸汽直埋供熱管道的施工設計

蒸汽直埋供熱管道的施工是一個長期、系統的工程，具體來說，主要包括以下一些方面：

1）管道的安裝。不同方式的安裝對管道變形的釋放程度和變形的大小以及管道應力水平的改變具有非常重要的影響。當前管道的安裝主要有三種方式：（1）無補償冷安裝。無補償安裝處于兩個固定墩之間或者處于錨固狀態下的管道，其熱脹變形無法被補償裝置吸收。（2）有補償安裝。有補償安裝的熱脹變形可以被補償裝置吸收，其補償裝置是處于滑動狀態下的管道。無補償冷安裝是當前最經濟、最簡易的安裝模式，在強度條件適宜的前提下，應該優先選擇，而有補償安裝由于增加了補償裝置的投資以及增加了管網的事故，適合在局部管段使用。（3）預應力安裝。預應力安裝指的是通過一次性補償器采用的方式以及預熱的方式來實現安裝。這種安裝方式實質上改變了管道的安裝溫度，使其等于預熱的溫度，以使管道的應力等于零，在管道的溫度回復到環境的溫度時，最終使管道產生相應的預應力效果。

無補償安裝和有補償安裝圖如下（圖1）顯示。

2）管道的應力計算。管道的應力計算指的是一種先進的應力分類法。主要有三種，一次應力，二次應力與峰值應力。一次應力指的是由管道內部以及持續的外壓所產生的應力；二次應力指的是由于管道受到約束，比如說管道由于熱脹冷縮而變形所產生的一種應力；峰值應力指的是管道由于局部的熱應力效應或者局部結構的不連續而產生的一種應力。管道的應力計算應該要滿足以下要求：一次應力的量應該要在計算溫度下鋼材的基本許用應力之內；二次應力和一次應力的量的變化范圍應該在鋼材的基本許用應力的3倍以內；管道應力集中部位的一次應力、二次應力以及峰值應力的變化范圍應該在鋼材的基本許用應力的3倍以內。

圖1 無補償和有補償安裝

3）固定墩的設計。管道對固定墩的推力主要有以下幾種：由于管道的熱脹冷縮而產生的作用力，由于管道的內壓而產生的不平衡力，以及由于管道活動端的位移而產生的作用力。在進行固定端兩側管段的作用力合成時，要遵照以下的原則：當兩側的管道在熱脹的作用力以及活動端的作用力下合力相互抵消時，應該要用荷載比較小的力乘上0.8的抵消系數；而如果兩側的管道都屬于錨固段，那么抵消系數的值為0.9；而當由于兩側管段摩擦力的下降所造成的軸向力變化造成了差異時，則按最不利的狀況來進行合成。同時，固定墩的結構還應該要進行抗滑移驗算、抗傾覆驗算等穩定性的計算。而當前固定墩主要有以下六種常見的形式（圖2）：

圖2 蒸汽直埋固定墩的常用形式

4）管道的節點以及附件處理。管道的節點以及附件包括固定支座、補償器、疏水裝置、排潮管、閥門、彎頭以及井室等。在進行管道的節點以及附件的處理時應該要注意以下一些方面：固定支座可以采用內固定型、外固定型以及內外固定型，在進行固定支座的操作時應該要使用隔熱式的方式，保證和土壤接觸處的外護管的溫度在70攝氏度以上；采用外壓式的波紋補償器，并且將15%-20%的膨脹余量考慮進去，而補償器的導流筒應該要選擇3毫米以上的碳鋼，補償器的材料盡量要選擇高猛不銹鋼和超低碳的不銹鋼，以防止不銹鋼受氯離子的腐蝕；在蒸汽直埋管道的低點處，應該要設置啟動和運行的疏水裝置，設置疏水總閥、疏水罐、疏水器、隔斷閥以及放水閥，同時疏水器應該要選擇熱動力式，而疏水的裝置應該要在固定支座處設置；排潮管應該在固定支座附近設置，并采取可靠的保溫防腐、防雨、防灌水以及防堵塞等措施；閥門最好是選擇焊接無盤根的閥門，并且采用遠方操作的模式，對閥門做好相關的防水防腐措施，再對閥門的兩端外護的管道進行硬連接；蒸汽直埋管道的彎頭也最好是選擇縱縫熱成型、加熱推制成型以及煨制成型的彎頭；而蒸汽直埋管道的井室應該要采用鋼筋混凝土進行澆注，并設置兩個井口，采用法蘭密封，同時采取相應的防水措施。

圖3 蒸汽直埋供熱管道設計的整體流程圖

5）管道的驗收。蒸汽直埋供熱管道的驗收對蒸汽直埋供熱管道的整體設計具有非常重要的意義。具體來說，蒸汽直埋供熱管道工程的驗收包括兩大方面：土建工程的驗收和安裝工程的驗收。土建工程的驗收包括管溝挖掘面的尺寸、管溝的坡度與坡向以及回填土的夯實度與高度等；安裝工程的驗收主要包括管道軸線的偏差、管道安裝的坡向與坡度、預制保溫管線的外套管的防腐層保護等等。

整體來說，蒸汽直埋供熱管道設計圖如圖3顯示。

3 結語

由以上可以看到，蒸汽直埋供熱管道由于具有自身獨特的優勢而越來越成為城市發展的需要。筆者認為，針對當前我國城市蒸汽直埋供熱管道發展的一些不足之處，需要相關的人員進行進一步的技術研究和實踐，做好管道的安裝、管道的應力計算、管道的節點以及附件處理和管道的驗收等方面的工作，發展出最優化的管道設計方案，最終實現我國蒸汽直埋供熱管道技術的進一步成熟，推動我國城市建設的進一步發展。

［1］袁娜,單偉田.熱水管道直埋敷設的分析和設計[J].安防科技,2009(10).

［2］施燁輝,何平,卞曉琳.擬建隧道下穿熱力頂管的現狀評估[J].北京交通大學學報,2010(04).