供熱管道一次性補償器覆土預熱的研究

次 新 濤

(太原市市政工程設計研究院，山西 太原 030002)

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供熱管道一次性補償器覆土預熱的研究

次 新 濤

(太原市市政工程設計研究院，山西 太原 030002)

根據國內外一次性補償器覆土預熱的相關理論，對DN1 000預制直埋保溫管不同壁厚下，一次性補償器間距、預熱溫度和一次性補償器單側預熱伸長量進行了計算，結果表明，國內規程的相關理論在工程應用中更安全。

供熱管道，一次性補償器，覆土預熱，預熱溫度

0 引言

在冷安裝技術處理難度大的工程中應優先采用預熱安裝。如地形復雜，分支多、平面折彎多、高程起伏大、地下障礙多、地質條件不好等條件下，采用冷安裝施工質量難以保證、安全隱患多，此時應優先考慮預熱安裝。或者無補償冷安裝管道固定墩推力大到難以實施時，或在安定性條件滿足的情況下，管道局部屈曲應力驗算通不過時，或無補償冷安裝發生整體失穩時，預熱安裝也是一種解決方案[1]。

設置一次性補償器的覆土預熱：在管道的直線部分，按一定間距安裝一次性補償器。補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償器為出發點。除一次性補償器外，其余溝槽立即回填，再進行預熱升溫。升溫達到或超過預熱溫度，逐個觀測一次性補償器，哪個補償器熱膨脹量達到計算值，就將哪個補償器焊死，直到全部焊死為止[1，2]。

合理布置一次性補償器間距是個經濟技術問題，一次性補償器間距越大，補償器數量越少，施工越簡單經濟性越好，但由于補償器間距大，管道受覆土摩擦力的阻礙，其熱伸長越不容易膨脹，其一次性補償器降溫拉應力越大，存在降溫拉斷的可能，故合理布置補償器間距和控制管道熱伸長量是一次性補償器覆土預熱成敗的關鍵[1]。下面分析歐洲規范BS EN 13941集中供暖用預絕緣粘結管系統的設計和安裝(以下簡稱“歐規”)[3]和CJJ/T 81—2013城鎮供熱直埋熱水管道技術規程(以下簡稱“新規程”)[4]中一次性補償器間距和熱伸長量的確定。

1 歐規

一次性補償器間距與管道所允許的軸向有關，允許軸向力由管道局部屈曲極限狀態決定。一次性補償器布置圖見圖1[3]。

由局部屈曲極限狀態條件可得[3，5]：

(1)

其中，rm為工作鋼管的平均半徑，m；δ為工作鋼管的壁厚，m；σt·all為工作鋼管允許拉應力，MPa；σc·all為工作鋼管允許壓應力，MPa。根據碳鋼的性質，允許拉應力等于允許壓應力，即σc·all=σt·all=σall。

應力變化范圍的計算：

Δσ=αE(T1-T2)

(2)

其中，Δσ為應力變化范圍，MPa；α為鋼材的線性膨脹系數,m/(m·℃)；E為直埋保溫管鋼管的彈性模量,MPa；T1為管道工作循環最高溫度，℃；T2為管道工作循環最低溫度，℃。

對于初次運行考慮管道受土壤摩擦力的作用，其應力儲備值為：

σ1=2σall-Δσ

(3)

其中，σ1為應力儲備值，MPa；其余符號同上。

管道受土壤摩擦阻力引起的應力值為：

σ2=Δσ-σall

(4)

其中，σ2為管道受土壤摩擦阻力引起的應力值，MPa；其余符號同上。

一次性補償器距駐點允許距離為：

(5)

其中，Lall為一次性補償器距駐點允許距離，m；A為鋼管的截面積，m2；F為保溫管道單長摩擦力，N/m;其余符號同上。

一次性補償器焊接溫度(閉合溫度)Tdp計算公式為：

(6)

一次性補償器一側最大位移量u計算公式為：

(7)

其中，u為一次性補償器一側最大位移量，m；T0為管道預熱安裝時的環境溫度，℃；其余符號同上。

一次性補償器兩側最大位移量2u。

2 新規程

“新規程”規定：預熱管段的計算安裝溫度不宜高于管道工作循環平均溫度，根據冷態壓應力和熱態壓應力相等的原理，可得到其預熱計算安裝溫度為[1，6]：

(8)

其中，tms為直埋管道的平均應力溫度,℃；σt1為管道最大工作壓力引起的環向應力，MPa；σt2為管道冷運行壓力引起的環向應力，運行壓力應達到工作壓力，MPa；其余符號代表意義同上。

對一次性補償器的間距給出明確的規定，一般是按照預熱溫度對應的最小過渡段長度來確定一次性補償器到固定墩或者駐點的距離，其計算公式為：

(9)

其中，σt為供熱管道預熱時的環向應力，MPa；其余符號代表意義同上。

覆土預熱溫度[7]：

(10)

一次性補償器一側最大位移量u計算公式為：

u=α(tms-T0)Lall

(11)

一次性補償器兩側最大位移量2u。

3 案例分析

某市集中供熱一次管網的設計壓力為2.0 MPa,工作壓力為1.6 MPa,鋼管規格為DN1 000(外徑為1.02 m,壁厚為13 mm),設計供回水溫度為130 ℃/70 ℃,采用電預熱安裝過程中室外大氣溫度為10 ℃,最低循環溫度為10 ℃，α=12.6×10-6m/(m·℃)，E=19.6×104MPa，F=35 170 N/m，管頂平均覆土1.2 m。

下面按照“歐規”和“新規程”確定預熱溫度、一次性補償器間距和一次性補償器單側最大位移量。

1)“歐規”。

由式(1)～式(5)可得一次性補償器距駐點允許距離為：

Lall=239.38 m。

由式(6)可得一次性補償器焊接溫度(閉合溫度)Tdp計算公式為：

Tdp=111.44 ℃。

由式(7)可得一次性補償器一側最大位移量u計算公式為：

u=0.181 m=181 mm。

2)“新規程”。

由式(8)和式(9)可得一次性補償器距駐點允許距離為：

Lall=149.13 m。

由式(10)可得一次性補償器焊接溫度(閉合溫度)Tdp計算公式為：

Tdp=87.46 ℃。

由式(11)可得一次性補償器一側最大位移量u計算公式為：

u=0.097 m=97 mm。

同理可以得到壁厚為12 mm，11 mm，10 mm時，Lall，Tdp和u，其計算結果見表1。

表1 DN1 000供熱管道不同壁厚下Lall,Tdp和u

從表1計算結果可得，隨著壁厚的增加，一次性補償允許間距、覆土預熱溫度和預熱位移量增加，但“歐規”受壁厚影響比較大，在壁厚比較低的情況下，兩種方法計算結果比較接近。壁厚越小，預熱溫度控制的越低，防止降溫一次性補償器處拉應力過大。壁厚越大，預熱溫度越高，防止駐點升溫處壓應力過大。

4 結語

1)供熱管道一次性補償器覆土預熱不論是“歐規”還是“新規程”中，在確定一次性補償器間距還是預熱溫度時，就考慮了一次性補償器處降溫拉應力和駐點處升溫壓應力過大的問題。2)“歐規”的思想是盡量利用預熱允許的最大溫度，從而增大一次性補償器的間距，減小補償器的數量，降低初投資。3)“新規程”的思想是在預熱溫度既要滿足管道不屈曲的目的，也要降低降溫拉應力，管道或者補償器被拉斷的情況[7，8]。

綜上所述，國內規程設計思路比歐規更加安全可靠。

[1] 王 飛,張建偉,王國偉,等.直埋供熱管道工程設計.第2版.北京：中國建筑工業出版社，2014.

[2] 王玉峰.城市供熱管道一次性補償預熱施工方法.青島理工大學學報，2006，27(6)：121-124.

[3] BS EN 13941 Design and Installation of Preinsulated Bonded Pipe System for District Heating.London：Standards Policy and Strategy Committee，2009.

[4] CJJ/T 81—2013，城鎮供熱直埋熱水管道技術規程.

[5] 蘭德勞皮夫.區域供熱手冊.賀 平，王 鋼，譯.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1998.

[6] 王 飛,王國偉,鄒平華.基于平均應力的直埋供熱管道預熱溫度.哈爾濱工業大學學報，2010，42(12)：1985-1989.

[7] 王 飛，王國偉，孫 剛，等.直埋管道預熱安裝的安全性研究.材料科學與工藝，2009,17(2):203-207.

[8] 郭小輝,韓國明,趙 健,等.供熱管道一次性補償器斷裂原因分析.壓力容器，2006，23(10)：27-30.

Study of one-off compensator of overburden preheating installation

Ci Xintao

(TaiyuanMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute,Taiyuan030002,China)

According to related theory of one-off compensator overburden preheating at home and abroad, the paper gives a calculation of the compensator spacing, preheating temperature and one-off compensator unilateral preheating elongation to DN1 000 prefabricated directly buried insulating pipe with different wall thickness. The results shows that, the theory of domestic regulations in engineering applications is more secure.

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

2015-09-13

次新濤(1979- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)33-0133-02

TU833

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