供熱熱水管道管廊敷設方式研究進展

范輝， 王飛， 王國偉， 雷勇剛， 張建偉， 李海東

(1. 太原理工大學 環境科學與工程學院， 山西 太原 030024; 2. 太原市熱力公司， 山西 太原 030000)

供熱熱水管道管廊敷設方式研究進展

范輝1， 王飛1， 王國偉1， 雷勇剛1， 張建偉2， 李海東2

(1. 太原理工大學 環境科學與工程學院， 山西 太原 030024; 2. 太原市熱力公司， 山西 太原 030000)

綜述熱水管道傳統敷設方式現狀，對管廊熱水管道的現行敷設方式及存在的主要問題進行探討.依據熱水管道有補償直埋敷設向無補償冷安裝直埋敷設的研究進展，提出管廊熱水管道無補償架空敷設方式，取消補償器的設置，增加管網運行安全性與可靠性.分析管廊熱水管道無補償架空敷設可能存在的主要問題，提出管廊熱水管道無補償敷設的理論與工程設想解決方案.

供熱管道； 敷設方式； 綜合管廊； 無補償敷設

市政集中供熱是我國北方城市冬季采暖的主要方式[1].隨著熱電聯產供熱形式的出現并迅速發展，其熱源的供熱能力、供熱半徑和管道管徑不斷突破[2]，熱水采暖管道的敷設方式也不斷發展.本文綜述熱水管道傳統敷設方式現狀，并對管廊熱水管道的現行敷設方式及存在的問題進行探討.

1 熱水管道敷設方式

1.1熱水管道傳統敷設方式

傳統的熱水管道敷設方式主要分為：地上架空敷設、地下管溝敷設和地下無溝敷設即直埋敷設[3].

20世紀70年代前，我國大多熱水管道采用地溝及架空敷設，個別小管徑管道也采用油布防護[4]或填充礦渣棉、預制泡沫混凝土瓦塊等保溫材料[5]的直埋敷設；80年代，隨著北歐管道直埋技術的引進，小管徑管道雖由地溝、架空向直埋敷設方式發展，但大管徑管道仍以架空或地溝敷設方式為主[4]；90年代中期至今，我國集中供熱事業發展迅速，管網建設規模趨于大、中型化，管道無補償直埋技術結合我國國情不斷發展，日趨成熟，管網的敷設方式逐漸以無補償直埋敷設為主[5].

1.2傳統敷設方式的弊端與管廊熱水管道敷設方式

地上架空敷設將管道安裝于地面或附墻支架上[3]，是我國過去經常采用、較為經濟的敷設方式.但同時也存在占地面積大、不美觀、易受自然氣候侵蝕、管道熱損失大等缺點[6].尤其在發展較早的老工業區，架空管道保溫管材質量差、管網運行溫度高、工作環境惡劣、年久失修等問題突出，導致保溫層脫落，管道腐蝕嚴重，事故頻發[5].

管道的地下敷設方式不影響市容和交通，在城鎮集中供熱發展中得到廣泛采用[3].地溝敷設方式將管道敷設于地下圍護構筑物中，受到地理環境影響，會造成地溝內常年或季節性積水，加大保溫材料傳熱，并導致管道銹蝕[7].管道地下直埋敷設方式以管道安裝為主，具有施工周期短，工程造價低，熱損失小，防腐、絕緣性能好，使用壽命長等優點，在城鎮集中供熱管網敷設中得以大力推進[5].但隨著我國社會經濟的快速發展和城鎮化進程的快速推進，城市地下工程管線的敷設問題日益突出，尤其是近年來大雨內澇、管線泄漏爆炸、路面塌陷等事件頻發[8].目前，城市地下空間的開發和利用工作已全面展開，提出了建設城市地下綜合管廊的戰略決策.

市政熱水管道作為綜合管廊中的管線之一，其輸送熱水介質使管廊內溫度升高，會造成管廊內環境的熱污染.因此，熱水管道不應與輸送可燃、腐蝕性氣體的管道同艙室敷設[9]；管線敷設時，應將熱水管道與其他熱敏感管線分艙室收容或滿足充分間距要求[10]，且不能同電力電纜同倉敷設[11].然而，城市地下綜合管廊的建設處于研究探索和試驗階段，對管廊內供熱熱水管線的布置仍沿襲地溝敷設的方法，沒有考慮綜合管廊構筑物的特點，管線布置技術細節問題尚未考慮，存在思想交流不足、法律規范匱乏和設計不完善等問題，工藝水平有待提高.

2 管廊熱水管道的敷設設計

2.1管廊熱水管道現行敷設方式存在的問題

市政熱水管道納入地下綜合管廊，應進行專項管線設計[11].對于管廊熱水管道的敷設設計并沒有技術層面上的規定，相關具體的設計理論和權威的設計規范方面幾乎處于空白狀態.由于敷設環境與傳統可通行地溝相似，各地在建的和已經建好的管廊熱水管道仍沿襲傳統地溝與架空敷設供熱管道有補償敷設的設計方法.其敷設設計主要通過劃分補償段，計算管段補償量，根據管網結構選擇合適的補償方式和補償器類型，并計算固定支架推力[12].這樣管網中就不可避免地需要設置大量補償器，把剛性的供熱管網分割為多段柔性連接的管段.為了保證柔性管件-補償器不被軸向撕裂，必須設置推力較大的固定墩.盡管如此，補償器仍是供熱管網最為薄弱的環節，可靠性較差，增加了管網事故的發生概率，降低供熱管網運行的安全水平和防災抗災能力.

除此之外，地下綜合管廊內作為供熱動脈的熱力管道，補償器的大量使用既增加了初投資，也增大了供熱管網的熱損失，降低了管網的輸送效率，造成管廊內環境的熱污染；管廊內設置過多的補償器增加了管網泄漏的可能性，運行中要派專人定時巡查，運行管理成本較高，維護工作量較大.由于地下綜合管廊的規劃存在不同種類專項管線的共艙收容，供熱管道一旦發生泄漏，引起熱水介質的泄漏汽化問題，無法及時排出急劇增加的大量高溫水及汽化產生的大量水蒸氣，造成管廊內管線維護人員呼吸道受損，危害人身安全，增加搶修難度，拖延搶修進度；同時，還影響共艙室管線和電纜的安全運行，影響管廊運行的可視化監控.

2.2管道應力計算依據

2.2.1 我國管道應力計算的依據 對熱水管道而言，應力計算是管道工程設計的基礎.隨著應力分析理論和試驗技術的發展，熱水管道從有補償直埋敷設發展為無補償冷安裝直埋敷設，并表現出優越的管道布置形式、較低的施工難度、運行工作量少及經濟性好等優點，在我國集中供熱工程中得到了廣泛應用[13].熱水管道無補償冷安裝直埋敷設采用應力分類法進行管道應力驗算[14]，將各種載荷產生的應力根據起因、作用范圍和性質進行分類，采用不同的強度條件控制[5,14]，有利于充分發揮鋼材潛能，降低管道事故概率.地上架空敷設與地下地溝敷設熱水管道受力計算參照CJJ 34-2010《城鎮供熱管網設計規范》[15]，規定地上與管溝敷設供熱管道的許用應力計算、管道壁厚設計、補償量計算及應力驗算條件參照DL/T 5366《火力發電廠汽水管道應力計算技術規程》[15].

2.2.2 國外管道應力計算依據 國外集中供熱發展較早，丹麥、芬蘭、瑞典等北歐國家的供熱技術處于世界領先水平，對直埋敷設方式研究較多[16].主要通過限制極限荷載保證管道安全運行，涉及地上架空敷設和地溝敷設管道應力計算資料相對較少[17]，但對壓力管道的研究理論較為成熟，包括內壓和熱應力作用下管道的受力破裂[18-19]、受壓彎頭的疲勞壽命分析[20]、大直徑壓力管道在應力集中情況下的壓力腐蝕破壞[21]等涉及壓力管道及其管件的研究.俄羅斯區域供熱管網應力和地震分析標準[22]采用應力分類法，規范了管道地下與地上敷設方式.美國標準B 31-2016《ASME壓力管道規范》[23]根據壓力管道的不同類型，對電廠、化工、集中供熱和供冷等輸送管道的設計有不同要求；基于應變的X80大管徑油氣輸送管線設計通過位移控制荷載，保證管道安全運營的前提下，允許管道應力超過屈服應力[24].

2.3管廊熱水管道無補償敷設技術條件

1982年，梁恒謙[25-26]提出交通-管道兩用隧道中輸油管道的無補償直線敷設方法，并在渾河水下隧道工程中得到應用.長輸油氣管道遇到天然或人工障礙，以及復雜水文地質條件，采用無補償器地上跨越[27]，跨距不大時，常采用最簡單的無補償梁式直管跨越[28].這種管道無補償敷設，利用管道自身承受溫度及內壓引起的應力.地上彈性曲線管道，將管道軸線沿曲線敷設，利用管道伸縮及彎曲性能吸收管道熱膨脹[26].可見輸油管道非直埋無補償敷設已有工程實例，理論上也為管廊熱水管道無補償敷設提供了一定的參考.

管廊熱水管道的無補償架空敷設，應根據管道敷設特點，進行應力驗算，保證在設計和工作條件下，具有足夠的強度、剛度和穩定性.管道應力校核，采用應力分類法[5,14]，根據不同的強度控制條件，驗算管道應力.參照壓力管道應力分析[29]及石油、化工管道設計方法[23,30-31]，分析管道應力水平，防止管壁內應力過大.根據安定性原理，控制循環溫差，避免管道發生循環塑性變形破壞[5,14].依據鋼結構穩定理論，驗證管道構件運行穩定性[32].另外，管廊與地溝相比，結構堅固，橫斷面積非常大，與周圍土壤產生非常大的摩擦力，類似并遠大于直埋無補償敷設的箱式固定墩，為限制管道的熱膨脹提供了外部條件.

3 管廊熱水管道無補償敷設存在的主要問題

管廊熱水管道的無補償架空敷設與直埋無補償敷設方式相比，在直埋管道不發生局部沉降、塌陷的情況下，最主要區別在于土壤力作用.管廊熱水管道由支架支承，失去土壤的支撐與約束，缺少了覆土壓力作用，管道自重作用更加明顯.

3.1管道應力的計算

管廊熱水管道在重力載荷、內壓和熱應力的作用下，產生壓縮與彎曲的組合變形.

3.1.1 軸向應力的計算 直埋熱水管道錨固段受土壤的嵌固作用，不存在橫向彎曲變形，其軸向應力主要包括溫度變化和內壓引起的縱向應力作用[5]，并不包括重力作用產生的彎曲正應力；而管廊熱水管道軸向應力計算時，應綜合考慮內壓作用、溫度作用及管道重力彎曲引起的彎曲應力與附加彎矩影響.

3.1.2 熱應力的計算 溫度變化產生的熱應力，對于直埋熱水管道錨固段而言，為管道不發生屈曲時的最大溫度應力.管廊熱水管道架空敷設，管道自重的作用下發生彎曲，直管道位置降低，管道軸線有一定的伸長變形，產生新的彎曲應力及管道軸線長度增加而產生的拉伸應力，溫度應力則由于彎曲段的橫向位移有所減小.

3.1.3 內壓軸向應力 與直埋熱水管道錨固段相比，管廊熱水管道內壓軸向應力除泊松應力外，還包括內壓作用由于管道彎曲而產生的縱向應力.

3.2穩定性驗算

管道穩定性驗算主要包括整體穩定性和局部穩定性驗算.

3.2.1 整體穩定性驗算 直埋熱水管道由于土壓力作用，管網溫度變化時，熱伸長受阻，產生軸向壓應力，有向約束最弱區域推進的趨勢.整體穩定性驗算就是要保證管道周圍覆土壓力抵抗管道法向力不會向軸線法線方向凸出[5].管廊內長直熱水管道受到管道支架約束，其整體穩定性驗算則是要防止管道像“壓桿”一樣發生縱向屈曲[32].

3.2.2 局部穩定性驗算 大口徑熱水管道屬于薄壁型空間結構，無論是直埋熱水管道還是管廊內架空敷設的熱水管道，在高軸向壓應力的作用下，都有可能局部產生較大變形，發生局部屈曲失穩[33].此外，焊接定位偏差和其他尺寸及材料的偏差造成管道缺陷，也可導致管道縱向允許壓應變的下降[16].但是直埋熱水管道受到周圍土壤的約束作用，管道變形比較均勻，應變局部積累的可能性較小；局部集中的塑性變形僅可能出現在承受高軸向壓應力或截面有缺陷的部位.架空敷設的管廊熱水管道由支架支承，有著大不相同的變形方式，而且當管道形變之后，載荷逐漸被變形吸收.

4 主要技術問題解決途徑設想

4.1管廊熱水管道敷設理論體系構建設想

直埋熱水管道主要受到軸心壓應力作用，考慮到管道實際敷設狀況，可視為既存在殘余應力又有初始幾何缺陷的軸心受壓構件.管廊熱水管道無補償架空敷設，受到重力載荷影響，同時，承受軸心壓力和二階彎矩作用.在軸心壓力和管道彎矩的共同作用下，彎矩最大的截面邊緣纖維開始屈服，進入彈塑性受力狀態；隨著軸心壓力的增大，管道抗彎剛度降低，變形加快，附加彎矩增加[32].管廊熱水管道敷設理論體系的建立應以壓彎理論為基礎，將管道視為實際壓彎構件，對管道在彎矩作用平面內的穩定及彎矩作用平面外的彎扭屈曲問題進行研究分析.由于管道應力會隨管道變形的發生而減小，對于溫度載荷為主的熱水管道，以管道應變為基礎的非線性設計將更為合理.

同時，采用有限元分析法進行數值模擬，與理論計算結果進行對比分析，修正計算公式，并進行管廊熱水管道無補償敷設應力分析試驗，明確管道應力和應力集中點分布情況，為設計施工提出理論指導.

4.2管廊熱水管道敷設工程設想

根據管廊結構能否承受供熱管道熱膨脹力作用，將綜合管廊分為以下兩種類型.

4.2.1 管廊結構能夠承受熱膨脹力作用 能夠承受供熱管道熱膨脹力作用的第一類管廊，熱力艙室內各固定管墩均由同一管廊底板相連，如圖1所示.此時，管廊類似于直埋管道的固定墩，可將供熱管道由于內壓力、外部荷載和熱脹冷縮引起的力、力矩通過固定管墩傳向管廊，再傳向地下土壤.整個管廊類似無數個相連的固定墩，利用管廊自身結構來提供限制管道變形作用的外力，管廊和土壤的摩擦力無需達到管道推力的要求，無需額外增加和土壤的接觸面積.

4.2.2 管廊結構不能承受熱膨脹力作用 對于管廊結構不能承受熱膨脹力作用的第二類管廊，此時，有以下9種敷設方法.

1) 無補償直線敷設.類似于隧道中輸油管道的無補償敷設，兩端設置固定邊墩，中間設置固定支墩.此時，管道對固定邊墩的作用力較大，中間固定支墩作用力較小.

2) 附加焊接鋼件.通過在管道上附加焊接鋼件，限制供熱管道的熱伸長，如圖2所示.

(a) 軸測圖 (b) 軸測圖 (a) 軸測圖 (b) 軸測圖 圖1 無補償直線敷設的熱水管道 圖2 附加焊接角鋼鋪設的熱水管道 Fig.1 Laying heating pipeline with fixed support Fig.2 Laying heating pipeline with additional welded rail

3) 焊接環向肋板.在管道上焊接環向肋板，形成彼此連接的結構限制管道的熱伸長，如圖3所示.

(a) 橫斷圖 (b) 軸測圖 (c) 軸測圖 圖3 鋪設帶有環形肋的熱水管道Fig.3 Laying heating pipeline with circumferential rib

4) 鋼套鋼.采用鋼套鋼結構，類似于蒸汽直埋管道，利用外層鋼套管限制內層介質鋼管管道的熱伸長，如圖4所示.

(a) 橫斷圖 (b) 軸測圖 圖4 鋪設鋼護套的熱水管道Fig.4 Laying heating pipeline with steel jacket

5) “雙胞胎”牽制.采取某種措施將供、回水管加工成一體，以回水管道牽制供水管道的熱伸長，如圖5所示.

6) “三胞胎”牽制.兩根供水管配以一根回水管，以1根回水管道牽制2根供水管道的熱伸長，如圖6所示.

7) 將熱水管道與混凝土凹槽鎖定.將供熱管道焊接成長直管道，放置在混凝土管墩凹槽內，利用螺栓扣件將管道鎖定，管道和管墩凹槽及螺栓扣件間存在摩擦，類似于直埋供熱管道中管道與土壤間的摩擦力，如圖7所示.

(a) 橫斷圖 (b) 軸測圖 (a) 橫斷圖 (b) 軸測圖 圖5 “雙胞胎”牽制方式的熱水管道 圖6 “三胞胎”牽制方式的熱水管道 Fig.5 Welded supply and return pipe together Fig.6 Welded one return pipe with two supply pipes together

8) 其他牽制.如果管廊中還存在熱水供應管道，則3根管道焊接在一起，可以起到相互牽制作用，如圖8所示.同時,高溫供水管還可與熱水供應管互為備用或交替使用，增加供熱安全性與可靠性.

9) 彈性曲線敷設.管道軸線曲線敷設，利用管道伸縮及彎曲性能吸收管道熱膨脹.

(a) 橫斷圖 (b) 軸測圖 (a) 橫斷圖 (b) 軸測圖 圖7 敷設在混凝土凹槽內的熱水管道 圖8 其他牽制方式的熱水管道Fig.7 Laying heating pipeline in concrete groove Fig.8 Welded three pipes together

5 結束語

綜合管廊作為綜合利用城市地下空間資源的集約化、現代化基礎設施，能夠系統地整合地下管線分布，提升市政管網服務水平.管廊內供熱熱水管道的無補償架空敷設，可以充分利用管道的材料性能，取消熱水管網中補償器的設置，提高供熱管網運行的安全性，具有良好的節能效益、社會效益和經濟效益.

[1] 潘旭.國內外采暖方式現狀及發展趨勢分析[J].科技創新與應用,2014(10):206.

[2] 吳建琪.補償器在集中供熱中的應用[J].山西科技,2002(1):63-64.

[3] 賀平,孫剛,王飛,等.供熱工程[M].4版.北京:中國建筑工業出版社,2009.

[4] 孟繼成,李治東,張肇永.金屬波紋補償器在直埋供熱管道上的應用[J].管道技術與設備,2009(4):58-59.DOI:10.3969/j.issn.1004-9614.2009.04.021.

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

[6] 楊洪梅,胡雅晶.室外管道敷設方式[J].黑龍江科技信息,2010(14)：220.DOI:10.3969/j.issn.1673-1328.2010.14.214.

[7] 鄭光明.供熱工程中直埋與地溝敷設的應用研究[J].延安大學學報(自然科學版),2004,23(1):44-46.

[8] 王恒棟.市政綜合管廊容納管線辨析[J].城市道橋與防洪,2014(11):208-209.

[9] 中國建筑科學研究院.民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范： GB 50736-2012[S].北京:中國建筑工業出版社,2012.

[10] 陳壽標.共同溝投資模式與費用分攤研究[D].上海：同濟大學,2005.

[11] 上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司,同濟大學.城市綜合管廊工程技術規范: GB 50838-2015[S].北京:中國計劃出版社,2015.

[12] 李仲博.地溝管道敷設與無補償直埋管道敷設的設計方法探討[J].區域供熱,2012(5):17-22.

[13] 馮繼蓓，孫蕾，張虹梅.直埋供熱熱水管道敷設方式比較[J].煤氣與熱力,2006,26(11)：50-55.

[14] 城市建設研究院，北京市煤氣熱力工程設計院有限公司.城鎮供熱直埋熱水管道技術規程: CJJ/T 81-2013[S].北京:中國建筑工業出版社,2013.

[15] 北京市煤氣熱力工程設計院有限公司.城鎮供熱管網設計規范: CJJ 34-2010[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[16] British Standards Institution Group.2009 Design and installation of preinsulated bonded pipe system for district heating： BS EN 13941[S].London: British Standards Institution Group,2009.

[17] 王秀全.地上和地溝敷設供熱管道的受力分析與計算[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2007.

[18] KIM Y J,HUH N S,KIM Y J.Quantification of pressure-induced hoop stress effect on fracture analysis of circumferential through-wall cracked pipes[J].Engineering Fracture Mechanics,2002,69(11):1249-1267.

[19] BARNETT W P,LORIG L.A model for stress-controlled pipe growth[J].Journal of Volcanology and Geothermal Research,2006,159(1):108-125.DOI:10.1016/j.jvolgeores.2006.06.006.

[20] HYDE T H,SUN W,WILLIAMS J A.Life estimation of pressurised pipe bends using steady-state creep reference rupture stresses[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping,2002,79(12):799-805.

[21] VALIENTE A.Stress corrosion failure of large diameter pressure pipelines of prestressed concrete[J].Engineering Failure Analysis,2001,8(3):245-261.

[22] Federal Agency of Technical Regulation and Metrology.District heating networks standard for stress and seismic analysis: GOST 55596-2013[S].Moscow:The National Standard of Russian Federation,2013.

[23] The American Society of Mechanical Engineers.ASME code for pressure piping: B 31-2016[S].New York:The American Society of Mechanical Engineers，2016.

[24] LOWER M D.Strain-based design methodology of large diameter grade X80 linepipe[R].Oak Ridge:U.S. Oak Ridge National Laboratory (ORNL),2014.

[25] 梁恒謙.輸油管穿越渾河水下隧道工程[J].石油工程建設,1982(1):13,34-38.

[26] 梁恒謙.隧道中的管道及其敷設[J].石油工程建設,1983(5):42-44.

[27] 阿英賓杰爾 A Б,卡麥爾卡捷英 A Г.干線管道強度及穩定性計算[M].肖冶，譯.北京:石油工業出版社,1988.

[28] 張慧敏,潘家禎.長輸管線中直管跨越管道的力學分析[J].華東理工大學學報(自然科學版),2007,33(4):577-583.DOI:10.3969/j.issn.1006-3080.2007.04.026.

[29] 唐永進.壓力管道應力分析[M].2版.北京：中國石化出版社，2010.

[30] 潘家華,郭光臣,高錫祺.油罐及管道強度設計[M].北京:石油工業出版社,1986.

[31] 帥健,于桂杰.管道及儲罐強度設計[M].北京：石油工業出版社,2006.

[32] 陳驥.鋼結構穩定理論與設計[M].6版.北京：科學出版社,2014.

[33] 金瀏,李鴻晶.沖斷層作用下埋地管道屈曲分析[J].工程力學,2011,28(12):98-104.

(責任編輯： 錢筠英文審校： 劉源崗)

RecentProgressofTunnelLayingMethodonHeatingPipeline

FAN Hui1, WANG Fei1, WANG Guowei1,LEI Yonggang1, ZHANG Jianwei2, LI Haidong2

(1. College of Environmental Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;2. Taiyuan Heating Power Company, Taiyuan 030000, China)

The current situation of laying heating pipeline in traditional ways was reviewed, and several major problems of current laying method were discussed in this paper. In order to cancel the compensator and enhance the running safety and reliability of the whole network, the method of laying heating pipeline without compensation in the utility tunnel was put forward； according to the progress of transforming from directly buried hot water pipe with compensation to the one without compensation. In addition， taking potential problems of overhead laying free-compensation hot water pipeline in the utility tunnel into consideration, the theory and engineering ideas for the free-compensation installation mode of hot water pipeline in the utility tunnel were proposed.

heating pipeline; laying method; utility tunnel; free-compensation installation

10.11830/ISSN.1000-5013.201701031

TU 833.1

A

1000-5013(2017)06-0747-06

2017-01-11

王飛(1957-)，男，教授，主要從事供熱技術與節能的研究.E-mail:wfwfsir@126.com.

住房和城鄉建設部科學技術計劃項目(2016-K4-079)