關于熱力直埋管道漂移問題的研究

張 磊

(太原市熱力設計有限公司，山西 太原 030012)

近年來，大口徑直埋供熱管道的設計非常普遍，因此，研究如何提高設計質量，增加管網的可靠性和使用壽命顯得尤為重要。結合工程實例，本文將熱力直埋供熱管道漂移問題進行分析。

1 問題的提出

在供熱管線直埋敷設穿越現河流、明渠，以及交叉障礙復雜的十字路口時，管線不能按照設計高程較淺通過時，設計布置方案見圖1。

在障礙兩側需設置垂直立管，下翻到較深位置穿越，當障礙跨距較大時，為增大立管補償量，在立管上設置橫向拉桿補償器，并設置檢查井；當直埋管道較長，橫向補償器無法滿足補償要求，在上翻后需在一定距離位置設置軸向套筒補償器并設置檢查井。這樣布置：1)可保證管線均較淺敷設，只局部調整高程；2)若障礙位置由于特定原因不能采用大開挖形式，可頂管敷設；3)補償器的布置吸收了熱伸長，緩解了管道應力。

然而，由于管道布置的不對稱以及管道運行時盲板力的存在，在每年的供熱循環運行過程中，“L”段的管道會逐漸向立管方向漂移，在一些既有工程中，拉桿補償器已經嚴重變形，直接影響供熱管網的運行。為此，本文就該模型通過受力分析及工程實例計算來研究其管道漂移變化規律及對管網安全運行的影響，并提出合理解決方案。

2 模型的建立和分析計算

管道漂移的研究模型如圖2所示，1號小室內設置軸向套筒補償器，2號小室內設置橫向拉桿補償器，“L”段管道為研究對象。對模型受力計算時做以下假設：1)管道盲板力按設計壓力考慮，且不考慮初運及停運時緩慢加壓及泄壓過程，考慮為恒值；2)土壤摩擦力受力均勻且穩定；3)不考慮管道及管件的永久塑性變形。

管道采用預制直埋保溫管，管材為Q235鋼，設計最高溫度130 ℃，循環最低溫度10 ℃，安裝溫度為-5 ℃，設計壓力1.6 MPa，管頂覆土深度為1.5 m，“L”段管道取長度為100 m，其余參數均按照太原市集中供熱聯網工程施工圖設計參數選取。

2.1 首次運行受力分析

在最初運行和最終停運時，管道盲板力為0，駐點基本位于中點位置。

管道升溫時受力模型如圖3所示，當整個管道達到受力平衡時，受力分析如下述公式：

F摩擦L1+F反1+PdA=F摩擦L2+F反2，

F摩擦L1=πρgμ(H+Dc/2)·Dc·L1,

F摩擦L2=πρgμ(H+Dc/2)·Dc·L2,

L1+L2=L。

升溫時，“L”段管道的駐點位于A位置，L2表示駐點A和立管間的距離。

管道降溫時受力模型如圖4所示，對于現在城市集中供熱根據室外溫度變化一般采取質調節，即降溫運行時仍存在盲板力，但是摩擦力方向相反，整個管道達到受力平衡時，受力分析如下述公式：

F摩擦L2+PdA=F摩擦L1+F反1+F反2,

F摩擦L1=πρgμ(H+Dc/2)·Dc·L1,

F摩擦L2=πρgμ(H+Dc/2)·Dc·L2,

L1′+L2′=L。

降溫時,“L”段管道的駐點位于B位置，L2′表示駐點B和立管間的距離。

可見管網在初次運行升溫和降溫過程中，管道的駐點位置向立管方向移動了，移動距離為H。升溫時，兩側管道將以駐點A向兩側熱伸長，1號小室套筒補償器吸收了L1管段的熱伸長，2號小室拉桿補償器吸收了L2管段的熱伸長；而降溫時，兩側管道將以駐點B縮回原狀態，1號小室套筒補償器縮回L1′管段的熱伸長，2號小室拉桿補償器縮回了L2′管段的熱伸長；顯然由于L1L2′，拉桿補償器伸長量大于縮回量，拉桿補償器向立管方向推動，由于靜摩擦力的存在，拉桿補償器由熱伸長產生的變形無法得到復原，使其塑性變形，失去補償器作用，計算結果見表1。

表1 首次運行時不同管徑下的駐點位置

由計算得出，在參數相同的情況下，熱力管線管徑越大，駐點移動的距離就越大，管道漂移現象就越明顯。大口徑管線就是城市集中供熱生命線，若存在管道漂移問題，對于整個集中供熱管網構成了極大的安全隱患。

顯然，駐點漂移的根本原因是由于管道內壓引起的盲板力造成的，在上述計算中，盲板力都是以設計壓力(恒值)計算的，然而在實際管網操作中，管道運行和停運階段，壓力是逐漸變化的，即在升溫階段，盲板力逐漸增大，駐點由中點逐漸向A點移動，實際平均L2的長度要小于計算值，而在降溫階段，駐點由B點逐漸向中點移動，實際平均L2′的長度要大于計算值，因此，實際駐點移動量即H=L2-L2′，要小于計算值。

2.2 管道逐年漂移量

由于管線原始狀態和最終狀態參數一致，管線總的伸長和回縮的量是一樣的，管道在升溫和降溫過程中，駐點由A位置向立管方向移動到B位置，由于熱伸長和回縮時的基準點不一致，導致整個管道向立管方向漂移，移動距離為駐點移動量H的熱伸長，得當年運行管道漂移量的計算方法如下：

由于t1-t0≤Δty且L≤Lmin，整個管段處于彈性工作狀態，故駐點A熱伸長為：

H=[a·(t1-t0)-(Fmin·L)/(2E·A×106)]·(L2-L2′)。

其中，Lmin為管道的過渡段最小長度,m；E為鋼材的彈性模量，MPa；t0為管道計算安裝溫度，取-5 ℃；t1為管道工作循環最高溫度，℃；t2為管道工作循環最低溫度，取10 ℃；υ為鋼材的泊松系數，對鋼材取0.3；ρ為土壤密度，取1 800 kg/m3；[σ]為鋼材在計算溫度下的基本許用應力，取125 MPa；σt為管道內壓引起的環向應力，MPa；σj為內壓、熱脹應力的當量應力變化范圍，MPa。

需要注意的是，在計算逐年運行漂移量時，L2和L2′長度的計算需考慮摩擦力隨著運行次數而變化，摩擦力的大小按照《規程》上給出的摩擦力的下降規律取值；以及在上一次駐點漂移后，拉桿補償器沒有恢復原狀而產生的彈性反力。計算逐年運行時，“L”管道逐年的漂移量見表2。

表2 管道逐年漂移量

可見，在第一年的循環過程中，管道管徑越大，由于駐點的移動量增加，管道向立管方向漂移的距離就越大，對于大于DN900的管道，理論計算漂移距離可達30 mm，基本可以在立管位置看出變形，這對于管網運行是絕對不容許的，應加以保護措施。

隨著運行次數的增加，摩擦力逐漸變小，因此對于相同管徑的管道在第二年、第三年的管道移動量是逐年增加的；在經過多次運行循環后摩擦力固定為某一最小值不再變化，管道每年移動量也成為固定值。

同樣由于實際運行中，盲板力是逐漸變化的，管道實際累計移動量要小于表2中的計算值。

3 解決方案的提出

通過以上分析可知，由于盲板力的存在以及管道受力的不平衡，供熱管道隨著每年的循環運行，會逐漸向立管方向漂移，且不可逆轉。由于供熱直埋管道環境的復雜多樣，對于計算參數的影響因素也非常多，所以理論計算和實際情況存在偏差，但是指出了供熱管道漂移的趨勢和變化規律。

因此，針對駐點漂移的問題，提出解決方法：

1)對于管徑較小的供熱管線，駐點移動量及整個管段的累計漂移量都比較小，為減小工程投資和施工難度，不特意采取措施，只是將套筒補償器及拉桿補償器的補償量按照最不利情況選取，即摩擦系數最小且溫差最大時，同時考慮到工程實際當中的諸多不確定因素，應在設計補償器時，考慮計算補償量的20%的富裕值。若按照此方法，該段直埋管道施工及回填應嚴格按照供熱管網施工規范執行，分層夯實，夯實系數不小于0.94。

該方法較為簡單實用，對施工現場環境要求不高，因補償器的選用大于設計值費用有所提高，但省去其余處理措施的費用和時間，因此對于管徑較小、設計溫度和設計壓力較低的供熱管道的設計，可以采用此方法。

2)對于大管徑的供熱管線，為了確保管網運行的安全及增大其使用年限，不應放任駐點移動，需在兩補償器之間增加固定支架，限制管道移動。該固定支架可以考慮只是限制管道移動距離，因此，可以按照允許固定支架有位移的情況做受力分析，大大減小固定支架受力，縮小了占地面積，減少了工程投資和工程周期。

4 結語

由于駐點漂移的問題，拉桿補償器被向外側推，嚴重變形，失去補償能力，而套筒補償器補償能力一般較大，表面上沒有明顯變形跡象，但已經向立管方向拖拽了，如果套筒補償器不富裕或者補償量過小，就會被拉壞，對管網運行造成極大隱患。本文針對不同口徑供熱管線提出解決駐點漂移的方案，措施經濟合理，技術可行。施工階段大大減小固定支架受力，縮小了占地面積，減少了工程投資和工程周期，運行階段確保了管網安全性和穩定性，保證了供熱質量和效果。

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[2] CJJ/T 81—2013,城鎮供熱直埋熱水管道技術規程[S].

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