某供熱直埋敷設(shè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

郭震環(huán)

(太原市熱力公司，山西太原 030012)

1 工程概況

本工程為某縣集中供熱工程主干線一次網(wǎng)直埋設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)供水溫度120℃，回水溫度70℃，設(shè)計(jì)壓力1.6 MPa，起點(diǎn)位于某熱電廠。終點(diǎn)確定的管網(wǎng)末端與鍋爐房原供熱管網(wǎng)對(duì)接。

2 現(xiàn)場(chǎng)踏勘和管道的初步敷設(shè)方案

2.1 現(xiàn)場(chǎng)踏勘

本工程供熱管網(wǎng)距離遠(yuǎn)，地形復(fù)雜，設(shè)計(jì)前需要做詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)踏勘。管道從熱電廠引出后，沿道路西側(cè)向南敷設(shè)，躲過(guò)一個(gè)大轉(zhuǎn)盤中央的標(biāo)志物，然后穿越農(nóng)田、河流、公路等敷設(shè)進(jìn)入縣城。

2.2 管位及敷設(shè)方案設(shè)計(jì)

主管為DN600的預(yù)制直埋保溫管，管道埋深控制在管中1.5 m，以節(jié)約投資并滿足規(guī)程要求。管線沿途四處地形高差較大，確定采用大角度彎頭豎向敷設(shè)。在穿越國(guó)道處采用拖管方式。穿越河流處采用架空敷設(shè)方式。拖管方案由施工單位和設(shè)計(jì)院共同確定。

2.3 預(yù)熱

為節(jié)約工程成本，主要采用無(wú)補(bǔ)償冷安裝敷設(shè)。四處地形大高差地段豎向彎頭兩側(cè)安裝一次性補(bǔ)償器，豎向彎頭前后覆土，覆土?xí)r留出一次性補(bǔ)償器位置，打壓合格后切斷管道再焊接一次性補(bǔ)償器。系統(tǒng)冷運(yùn)行完成后，電廠(熱源)升溫，供水溫度升到約58℃，恒溫觀察一次性補(bǔ)償器的伸長(zhǎng)量，待預(yù)留量閉合后再焊死。豎向彎頭曲率半徑為3DN，以保證強(qiáng)度驗(yàn)算合格和延長(zhǎng)使用壽命。采用一次性補(bǔ)償器覆土預(yù)熱的預(yù)熱溫度，按下式計(jì)算:

根據(jù)上式計(jì)算得預(yù)熱溫度tdp約為68℃(說(shuō)明取58℃)。

2.4 分段試壓

為保障工程進(jìn)度，確定采用分段施工及分段試壓，設(shè)計(jì)要求每段都有泄水裝置，且保證能夠在規(guī)范要求的時(shí)間內(nèi)泄完水。一個(gè)獨(dú)立管段上應(yīng)該是最低處滿足試驗(yàn)壓力2.4 MPa。分段原則:熱水熱力網(wǎng)干線應(yīng)裝設(shè)分?jǐn)嚅y門。輸送干線分?jǐn)嚅y門的間距為2 000 m～3 000 m，輸配干線分?jǐn)嚅y門的間距為1 000m～1 500m。

泄水按照管嘴出流方式計(jì)算:

其中，A為主管內(nèi)橫截面面積，DN600管為0.297 m2;L為分段長(zhǎng)度，取1 000 m;ζ為銳緣進(jìn)口，取0.5;αB取1;μ為管嘴出流流量系數(shù)，取0.82;S為泄水管內(nèi)截面面積，DN100管為0.007 85 m2; H0為作用水頭，m;ε為收縮系數(shù)，取1;φ為管嘴出流速度系數(shù)，0.82;H1-H2為高度差，為10 m。

根據(jù)上式計(jì)算得總水量Q總=297 m3，流量Q=0.090 2 m3/s，當(dāng)只有一個(gè)泄水裝置泄水時(shí)，泄水所需時(shí)間T=3 290 s，約為0.914 h，小于規(guī)范規(guī)定的5 h～7 h，滿足要求。

2.5 管道壁厚的計(jì)算

由于本工程的重要性及復(fù)雜性，為保證采購(gòu)管道的質(zhì)量，現(xiàn)提供管道壁厚的計(jì)算。管道的理論計(jì)算壁厚應(yīng)按下式計(jì)算:

其中，B為管道壁厚附加值，取0.8×10-3m。

管道壁厚附加值:B=χδt。

其中，χ為管道壁厚負(fù)偏差系數(shù)。

管道取用壁厚應(yīng)采用不小于計(jì)算壁厚的最小公稱壁厚。

根據(jù)上式計(jì)算得DN600管道的理論計(jì)算壁厚δt=0.006 4 m，管道的計(jì)算壁厚δc=0.007 2 m，管道壁厚取8 mm。

3 水力計(jì)算、管網(wǎng)的坐標(biāo)和里程標(biāo)注

1 )熱負(fù)荷計(jì)算:根據(jù)甲方提供的資料，現(xiàn)有和規(guī)劃供熱面積，據(jù)此確定熱指標(biāo)，并計(jì)算出熱負(fù)荷:Q=q×FW(本工程甲方提供詳細(xì)熱負(fù)荷調(diào)查資料)。2)主干線管徑的確定:根據(jù)各換熱站所帶供熱面積情況，以及規(guī)范推薦的30 Pa/m～70 Pa/m的經(jīng)濟(jì)比摩阻確定主干線各管段的管徑，并計(jì)算各段的阻力損失:G=0.86×kg/h。3)支管管徑的確定:支管管徑按照并聯(lián)環(huán)路的允許壓力降確定，并按照《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，控制比摩阻的上限為300 Pa/m和流速的上限3.5 m/s。4)計(jì)算主干線阻力，估算熱源、換熱站阻力。5)提出首站循環(huán)泵揚(yáng)程和流量。

4 直管道熱力設(shè)計(jì)

4.1 長(zhǎng)直管段的強(qiáng)度條件

本設(shè)計(jì)循環(huán)溫差110℃，低于規(guī)程彈塑性分析法控制的最大溫差，即從直管段考慮，允許進(jìn)入錨固，無(wú)需控制過(guò)渡段長(zhǎng)度，無(wú)補(bǔ)償冷安裝直埋敷設(shè)驗(yàn)算通過(guò)。

直管道第三強(qiáng)度應(yīng)力:σj=(1-v)σt-αE(t2-t1)≤3［σ］= 375 MPa。

據(jù)上述公式可得DN600管環(huán)向應(yīng)力σt=54.4 MPa，相當(dāng)應(yīng)力σj=308.476 MPa，直管道冷安裝是安全的。彈塑性分析法計(jì)算控制的最大溫差為132.5℃，而本工程110℃，也可以說(shuō)明本工程DN600采用無(wú)補(bǔ)償冷安裝是安全的。

4.2 無(wú)補(bǔ)償管段整體穩(wěn)定性條件

由于管道最小埋深都滿足垂直穩(wěn)定性要求的最小覆土深度，因此整體穩(wěn)定性驗(yàn)算通過(guò)。

管道最大軸向力:Na=［α(t1-t0)-vσt］A×106。

垂直荷載:Q=GW+G2+2Sf。

對(duì)于DN600管道，根據(jù)以上公式，當(dāng)管頂覆土為0.34 m時(shí)可滿足豎向穩(wěn)定性要求，本設(shè)計(jì)覆土H≥1.5 m，可滿足要求。

4.3 無(wú)補(bǔ)償管段局部穩(wěn)定性條件

如果管道受壓達(dá)到某極限值時(shí)，也會(huì)喪失穩(wěn)定性。在喪失穩(wěn)定性時(shí)，它仍然具有環(huán)形的圓截面，但是破壞了母線的直線性，母線產(chǎn)生了波線，這種現(xiàn)象稱為薄壁圓柱殼的軸向屈曲。當(dāng)薄壁圓柱殼上的軸向應(yīng)力高于材料的屈服極限，稱為塑性屈曲。

局部屈曲驗(yàn)算有下列幾種方法:

1 )方法1:根據(jù)BSEN 13941:2003可得不發(fā)生局部屈曲的最大溫升值。當(dāng)≤28.7時(shí)，t1-t2≤130℃，當(dāng)＞28.7時(shí)，t1-t2≤℃。當(dāng)最大溫差滿足以上條件時(shí)，采用冷安裝，否則采用預(yù)應(yīng)力安裝或者有補(bǔ)償安裝(解釋:預(yù)應(yīng)力和有補(bǔ)償不是同一個(gè)問(wèn)題)。條件中忽略了內(nèi)壓的影響，內(nèi)壓的存在會(huì)減小管道發(fā)生局部屈曲的概率。內(nèi)壓有兩個(gè)作用，一是“氣球效應(yīng)”;二是可以抵消一部分因熱膨脹產(chǎn)生的軸向壓力(歐洲規(guī)范若用于我國(guó)，由于雙方材料屈服極限較大，經(jīng)計(jì)算得到的壁厚太大，故不采用)。

2 )方法2:JB 4732—1995鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)經(jīng)典的彈性穩(wěn)定理論，提出直埋管道局部屈曲的許用軸向臨界壓應(yīng)力為:σcr=0.062 5·E。其中，σcr為直埋管道局部屈曲的許用軸向臨界壓應(yīng)力，MPa;δ為鋼管壁厚，mm;R0為鋼管外半徑，mm。根據(jù)CJJ/T 81—98規(guī)程規(guī)定，當(dāng)管道的溫升高于屈服溫差時(shí)，高溫水直埋管道錨固段的最大軸向溫度應(yīng)力為1.3［σs］，其中系數(shù)1.3為屈服極限增強(qiáng)系數(shù)。如果σcr≥1.3σs，則管道不會(huì)發(fā)生局部失穩(wěn)。σcr=0.062 5E＞1.3［σs］=1.3×235=305.5。所以推出無(wú)補(bǔ)償冷安裝時(shí)鋼管的臨界徑厚比＜40.1。對(duì)常用的設(shè)計(jì)回水溫度小于70℃的回水管道和預(yù)熱中間溫度小于70℃的預(yù)應(yīng)力安裝管道，σz=αEΔT=172.87 MPa。由公式σz=σcr得出其臨界徑厚比為:≤71。方法2存在的缺陷:a.只是考慮局部失穩(wěn)，公式本身難以判別是否滿足彈塑性條件。b.和供水管道的實(shí)際安裝溫差無(wú)關(guān)，取最大屈服溫差顯得保守，但不知余量到底有多大。c.預(yù)熱安裝條件沒(méi)有考慮到預(yù)熱安裝初期管道受力的不均勻性。較高的預(yù)熱溫度也給降溫管道較大的拉應(yīng)力帶來(lái)危險(xiǎn)(預(yù)熱管道降溫拉斷)。d.沒(méi)有考慮壓力帶來(lái)的影響。

3 )方法3:JB 4732—1995鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提出直埋管道局部屈曲的許用軸向臨界壓應(yīng)力為:

使得升溫壓應(yīng)力不大于局部屈曲的許用軸向臨界壓應(yīng)力，可以采用無(wú)補(bǔ)償冷安裝，即:αE(T1-T0)-vσt·1≤σcr。

采用預(yù)熱安裝最小壁厚確定［1］。

本工程設(shè)計(jì)壓力Pd=1.6 MPa，安裝溫度最低-10℃，ΔT= 130℃時(shí)管道壁厚參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 管道壁厚參數(shù)表(ΔT=130℃)

ΔT=120℃時(shí)管道壁厚參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 管道壁厚參數(shù)表(ΔT=120℃)

ΔT=110℃時(shí)管道壁厚參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 管道壁厚參數(shù)表(ΔT=110℃)

綜上，取D630×8。

該工程整個(gè)冬季在安裝。該地區(qū)采暖室外計(jì)算溫度-11℃，空調(diào)室外計(jì)算溫度-14℃，最低日平均溫度-16.5℃，采暖期平均溫度-2.2℃。

5 直埋供熱管道摩擦力計(jì)算

單位長(zhǎng)度直埋敷設(shè)預(yù)制保溫管的外殼與土壤之間的單位長(zhǎng)度摩擦力計(jì)算公式:

滿足 H=1.5 m時(shí)，DN600:Fmax=31 672 N/m，F(xiàn)min= 15 836 N/m。

6 彎頭設(shè)計(jì)

按照駐點(diǎn)及錨固點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果，確定了各彎頭的臂長(zhǎng)，根據(jù)彈性抗彎鉸原理推導(dǎo)出來(lái)的簡(jiǎn)化疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算公式，從而可以進(jìn)行彎頭的應(yīng)力驗(yàn)算。

7 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際工程中由于各種原因，設(shè)計(jì)流程并非完全按照上述過(guò)程進(jìn)行，有些部分可以簡(jiǎn)化或省略，而有些部分則需要詳細(xì)設(shè)計(jì)甚至反復(fù)修改設(shè)計(jì)方案。其中的大部分計(jì)算可由供熱直埋管道設(shè)計(jì)計(jì)算軟件完成，有些參數(shù)可直接從相關(guān)參考資料中查得，保證在安全基礎(chǔ)上和滿足規(guī)范要求及甲方意見(jiàn)的前提下按期完成設(shè)計(jì)。

［1］ 王 飛，王國(guó)偉，孫 剛，等.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.