長直管段管道補償器移動異常情況分析

陳 鵬

(太原市熱力公司，山西 太原 030001)

0 引言

按照補償器的運行要求，停熱后供熱管道內溫度降低至常溫后，補償器應復原，太原市熱力公司2000年開始運行的一條支干線，2013年開始發現個別補償器位移出現異常。管段情況為:該處管道為直線敷設直埋管道，敷設方向為由西向東，敷設方式為無人為固定直埋敷設。管線管徑DN800，設計運行壓力為1.6 MPa，設計供、回水溫度為150 ℃/70 ℃，補償器采用旁流無推力補償器，型號為N-H-Ⅰ800-A-1.6-500;查閱資料得到DN800 供熱管道內徑Di=0.801 6 m，外徑DO=0.82 m，管壁壁厚為0.01 m，保溫管外徑DC=0.96 m，該段地下水位的高度為Hw=1.5 m 左右，出現異常的為6號～10號小室之間的管段，小室內均為供水側安裝旁流無推力補償器，回水側不安裝。

補償器及小室情況見表1。

表1 補償器及小室概況表

下面就對出現的情況進行分析。

1 對管道及補償器的設計進行校核計算

1.1 進行安定性分析

該段管道安定性要求的最大據算溫差計算公式為:

其中，［σ］為鋼管的許用應力，采用125 MPa;α 為鋼管的線性膨脹系數，采用12.6×10-6m/(m·℃);E 為鋼管的彈性模量，采用196×109Pa。

由公式可知安定性條件僅與管道材料、設計壓力及管道管徑有關，當管道為DN800，設計壓力為1.6 MPa，計算滿足安定性條件允許的最大循環溫差為132.1 ℃。本管段的設計供、回水溫度為150 ℃/70 ℃，安裝溫度按照10 ℃計算，則供水管道的設計最大溫差為150 -10=140 ℃，大于設計條件要求的132.1 ℃，回水溫差為70 -10=60 ℃＜132.1 ℃;因此，供水管敷設不能進入錨固狀態，回水管敷設可進入錨固狀態。

1.2 進行最大過渡段長度的計算

從管線設計圖紙可看出，該管段屬于長直管段，敷設方式為直埋不設置人為固定，補償器為雙向補償，最大過渡段長度的計算公式為:

其中，σt為環向應力，Fmax為低于地下水位的最小摩擦力，，N/m，μmax為最大摩擦系數，取0.4，μmin為最小摩擦系數，取0.2，σv為管中心土壤應力，與管中心及地下水位的相對位置有關，管中心低于地下水位，計算公式為:

其中，Hw為地下水位高度;ρs為水的密度，取1 000 kg/m3;ρt為土的密度，取1 800 kg/m3;K0為土壤靜壓力系數，K0=sinφ，φ取30°;G 為管道凈重，取7 370 N/m;h 為管頂覆土高度。

計算結果見表2。

表2 計算結果

由計算結果可以得知，在埋深變化的情況下，該段管道最大過渡段長度的最小值為98 m，最大的補償器間距為648.9 -518.9=130 m ＜2×98=196 m，即補償器間距離均小于2 倍最大過渡段長度，所以該管段管道均處于彈性補償狀態，應力狀態滿足運行要求。

1.3 駐點位置及補償量的驗算

由于不存在人為固定，所以補償器均為雙向補償，在兩個補償器間存在駐點，也稱為虛擬固定，即從理論上首先要確認駐點位置。

駐點的計算公式為:

本段管道中均采用相同型號的旁流無推力補償器，從理論角度講，各個補償器的摩擦力均相同。隨著管道敷設深度變化，相關參數發生變化，此處的計算中，敷設深度按照比例變化，緩慢過渡處理，可計算出各個補償器之間的過渡段長度(駐點位置)。由于管段處于彈性狀態，則伸長量的計算公式為:

可計算各管段的最大設計伸長量，見表3。

表3 各管段的最大設計伸長量

通過計算可確定各補償器間的設計計算駐點位置，8號小室補償器的計算最大補償量為40 +162=202 mm(補償器為雙側補償)，9號小室的計算補償量為67+48=115 mm，補償量為500 mm，則該處8號，9號補償器的補償量符合設計的要求。

通過校核計算，該段管線設計符合要求，補償器異常與設計計算無關。

2 其他可能的原因分析

1)該管道實際運行期的最高壓力在1.1 MPa～1.2 MPa，最高供、回水溫度125 ℃/57 ℃，非運行期間采用濕保護，壓力0.3 MPa，運行參數均在設計供熱參數要求的區間運行。按照實際運行參數計算，相關數據也在設計參數范圍以內。通過觀察可看出管道有整體向西移動趨勢，運行14 個采暖季后，整體的摩擦力降低，造成駐點漂移。

2)管道移動的主動力為一次應力(內壓力產生的軸向力)及二次應力(熱脹冷縮產生的軸向力)，被動應力為土壤摩擦力及補償器的移動阻力，根據巡線人員的觀察，該路段地下水位高低存在一定的波動，而影響管道移動的四個力中土壤摩擦力受到地下水位變化產生季節性波動，由于駐點位置的變化僅與摩擦力有關，因此當管段摩擦力發生變化時，就出現管段的駐點漂移。

整體分析，造成位移異常的原因為駐點漂移導致。管道經過長時間運行，管道的摩擦力降至最低，且沿管道敷設方向隨地下水位、敷設深度和回填沙的情況發生變化，導致駐點發生漂移，致使補償器的位移出現異常。

3 采取的措施及產生的變化

2013年發現補償器位移異常后，受施工條件限制，無法對管段開挖處理，但補償器的回縮量比較大，存在被拉脫的風險。最終采取了在8號小室內，從補償器西側斷開主管與補償器連接處，將補償器人工復位后，在原管道與補償器之間加焊管道的辦法。通過2 個采暖季的運行，基本排除了補償器拉脫的風險，但造成的結果為管道整體加長，駐點仍存在漂移，整體向西漂移的問題未得到解決。

4 今后設計、施工及運行過程中需要注意的事項

1)該系統設計運行參數中供水溫度為150 ℃。在實際運行過程中，根據該公司的觀察，當供水溫度超過125 ℃后，供水管道的保溫層碳化嚴重，由于供熱管道均為長距離輸送管道，設計運行溫度過高也導致運行風險過大。經了解，現階段一次網供熱設計參數多數已調整為供、回水溫度為130 ℃/70 ℃，在該設計參數下，大部分管道設計均可進入錨固狀態，降低了安裝投資，減小了系統的運行風險。

2)改大埋深敷設為淺埋敷設，在降低工程造價的同時，也降低地下水對管道伸縮的影響，降低小室內管道由于水浸泡產生的腐蝕。

3)管道施工過程中注意嚴格按照設計要求對管道周圍進行回填砂，避免由于長期運行造成的回填黏性土形成的空腔，確保正常的管道摩擦力。

4)在運行過程中應加強對無固定直埋管段補償器小室的運行檢查，做好運行期間及停熱后相關補償設備參數的記錄，確保設備運行的穩定、安全。

5)無推力補償器的芯筒段必須及時進行保養，避免由于未保養造成的補償器阻力過大，無法正常移動，致使形成長直管段，駐點發生漂移，將長直管段補償量完全集中在正常伸縮的補償器。

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

［2］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.

［3］賀 平，孫 剛，王 飛，等.供熱工程［M］.第4 版.北京:中國建筑工業出版社，2009.