大管徑直埋供熱管道無補償敷設方式的應用

江輝 鄧月平

摘 要：介紹了供熱管道常見的直埋敷設方式，討論了供熱管道直埋敷設的設計方法和選擇原則，在滿足管道強度和穩定性條件下，應優先采用無補償冷安裝敷設方式。介紹了直埋供熱管道可能出現的失效方式，結合工程實例，分析了公稱管徑大于DN500的大管徑供熱管道無補償冷安裝直埋敷設技術的技術難點，給出了工程實際應用中采取的技術措施。

關鍵詞：大管徑；供熱管道；無補償冷安裝；直埋敷設

供熱管道直埋敷設分為無補償直埋敷設和有補償直埋敷設。無補償直埋敷設又可分為無補償冷安裝直埋敷設、預應力無補償直埋敷設。預應力無補償直埋敷設又分為機械拉伸、敞槽預熱、一次補償等多種形式。預熱方式按加熱介質又分為熱水、熱風和電加熱等。

1 敷設方式及選擇原則

在直埋供熱管網設計過程中，無補償直埋敷設的設計方法采用應力分類法對管道進行應力驗算。應力分類法根據由不同特性的荷載產生的應力性態和對管道破壞的影響，對管道上不同性態的應力分別給予不同的限定值[1-3]。應力分類法將計算應力分成一次應力、二次應力及峰值應力，分別采用彈性分析理論、安定性分析理論及疲勞分析理論進行分析，可以充分發揮管材的承載能力。

采用無補償冷安裝直埋敷設技術，可以大大減少補償器、固定墩的使用，減少系統中危險點的數量，從而提高管網安全運行可靠性；節約工程資金；施工周期短，管道壽命長；降低了維護費用以及熱損失。所以，在滿足強度和穩定性條件下，應優先采用無補償冷安裝方式。

2 工程概況

為減少西北地區某石化企業的大氣污染物排放，改善附近居民生活環境，該石化公司于2011年進行了生活區供暖系統熱電聯產改造，將原有集中供熱鍋爐房停運，采用該石化公司熱電廠供出的低壓蒸汽實施熱電聯產供熱。

該熱電聯產改造工程的總供熱負荷為145MW，高溫水供熱管道全長為6km，最大公稱管徑為DN600mm，供熱介質高溫供回水溫度為130～80℃，設計壓力為1.23MPa。該工程的特點是工程規模大，建設期短，要求當年實現供熱。在工程設計中采用應力分類法進行應力驗算，高溫水供熱管道全部采用無補償冷安裝直埋敷設技術。經過近四個采暖期的運行，狀況穩定，供熱效果良好。證明了大管徑高溫水供熱管道無補償冷安裝直埋敷設技術的可行性、實用性和安全性。

3 高溫水供熱直埋管道設計的主要難點

（1）2011年進行本工程設計時，可依據的設計規范版本為行業標準《城鎮直埋供熱管道工程技術規程》（CJJ/T81-98）（以下簡稱：《規程》（CJJ/T81-98））。該標準適用于供熱介質溫度小于或等于150℃，公稱直徑小于或等于DN500的直埋熱水管道。對于管徑大于DN500的大管徑高溫水管道的直埋技術，當時還沒有制定相應的規范和執行標準。

（2）直埋供熱管道的失效方式。直埋供熱管道可能出現的的失效方式包括強度失效和穩定性失效兩個方面，當管道的管徑大于DN500時，除上述破壞方式外，局部失穩和截面橢圓變形出現的概率將大大增加，會成為大管徑直埋管道的主要失效方式。因此，需要管材管件選用、管網設計、現場施工中采取必要的技術措施防止直埋管道的失效。

4 無補償冷安裝直埋敷設技術采取的技術措施

4.1 選用合格產品。劣質的高密度聚乙烯外殼起不到的整體防水作用，極易產生腐蝕破壞，而低粘結力的保溫層使預制保溫管無法形成三位一體的結構，使鋼管產生無法預知的熱脹變形，或者加大管件的應力水平。因此，采用符合產品標準的預制保溫管是優質直埋管網工程的基礎。

4.2 合理的系統設計

（1）彈性彎曲管道（彎管）設計。針對該石化生活區地下障礙物較多，地下敷設的管道易產生折角的現象，在管道布置中將大折角分解為幾個小角度（≤1°）折角進行敷設。對于0～15°折角和16～85°轉角（彎管），由于將其分解為小折角會很困難，則采用大彎曲半徑的彎管來代替大折角，可以將應力分散，從而避免了折角處由于預應力集中而產生低循環疲勞破壞或局部失穩破壞。

（2）增大彎頭彎曲半徑。當彎頭側壁較長，曲率半徑較小，循環溫差較大時，會招致峰值應力，發生低頻次的循環塑性變形，在循環一定次數后發生疲勞破壞。因此，為了增加彎頭的強度，在設計中使用大彎曲半徑的彎頭，將應力分散。同時減少了彎頭的摩擦阻力，降低了壓降損失，同時使補償能力最大化。

（3）直埋彎頭處的處理。為了充分利用自然彎頭的補償能力，在設計中對彎頭彈性臂側做特殊處理。如彎頭處做空穴、彎頭兩側設置膨脹墊，為彎頭提供彈性膨脹區域，使彎頭的應力驗算等同于在管溝或架空敷設時彎頭的應力驗算，在滿足使用壽命的條件下，使其補償能力最大。

4.3 嚴格周密的現場安裝

由于大口徑（DN600）高參數（供水130℃/回水80℃）無補償冷安裝直埋敷設技術的技術要求高，為確保工程質量，要求嚴格保證焊接質量，鋼管及管件焊接全部采用氬弧焊打底和雙面焊，并對所有焊縫進行100%無損探傷。

4.4 平穩的生產運行

對于相同的熱網，在連續運行和間歇運行工況下，兩者的情況是不同的。溫度變化頻繁，將加大鋼管的循環塑性變形和疲勞破壞，也就容易破壞。因此，在進行供熱調節時，應避免供熱管網水溫頻繁的變化。

5 結束語

該熱電聯產改造工程于2011年11月完工并投入運行，無補償冷安裝直埋敷設的高溫水管線經過了近四個供暖期的考驗，沒有發生任何問題，完全達到了預期的目標，通過此次工程實踐，大管徑高溫水供熱管道技術應用具有以下意義：

（1）對《規程》（CJJ/T81-98）的有益補充和拓展。在熱電聯產項目中所采用的無補償冷安裝直埋敷設技術，主管道管徑超出了《規程》（CJJ/T81-98）的規定范圍，其成功的實踐應用，是對《規程》（CJJ/T81-98）的有益補充和范圍的拓展，為《規程》（CJJ/T81-98）今后的修訂和完善提供了實踐基礎。事實上，住房和城鄉建設部在《規程》（CJJ/T81-98）基礎上進行修訂后，2014年2月1日頒布實施的《城鎮供熱直埋熱水管道技術規程》（CJJ/T81-2013）就將規程的適用范圍擴大到“管道直徑小于或等于1200mm的城鎮供熱直埋熱水管道”[5]。

（2）具有更高的經濟性、穩定性和輸熱能力。由于采用了無補償直埋敷設技術，直埋敷設本身就比管溝敷設節約了投資費用，取消了補償器和固定支架，既節約了投資，又杜絕了補償器產生故障而導致的對熱網運行的影響和維護成本，提高了熱網運行的安全可靠性，同時，也可縮短施工周期10%～30%，管網阻力損失可減少約20%。

（3）對節能減排、保護環境具有積極的意義。熱網的成功敷設，保證了熱電聯產裝置的安全運行，消除了生活區燃煤供熱鍋爐運行時產生的粉塵和二氧化硫等污染，極大地改善了該石化企業生活區的大氣環境。

參考文獻

[1]CJJ/T81-98.城鎮直埋供熱管道工程技術規程[S].

[2]DL/T5366-2014.發電廠汽水管道應力計算技術規程[S].

[3]CJJ34-2010.城鎮供熱管網設計規范[S].

[4]王飛，張建偉.直埋供熱管道工程設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[5]CJJ/T81-2013.城鎮供熱直埋熱水管道技術規程[S].