談DN1 400供熱管線設計方案

閆 冠 龍

(太原市市政工程設計研究院，山西 太原 030002)

0 引言

城市集中供熱作為城市一項重要的基礎設施，是城市發展水平的重要標志。目前全國的新建熱電廠大都遠離城市，位于遠郊的熱電廠需要通過長輸供熱管道遠距離將熱源輸送至城市中心。因此，為解決大氣環境污染，山西省太原市采用了長輸管線供熱，該工程于2016年年底實現了古交熱源輸送太原。

1 工程概況

隨著國電太原第一熱電廠搬遷，太原市河西地區熱源將出現缺口，且為解決古交熱源向南輸送的問題，實現太原市集中供熱全覆蓋目標，于2017年實施了九院沙河—大井峪路供熱管線工程，該工程管線管徑為DN1 400。

2 管材及壁厚選用

直埋供熱管網管道材料通常選用Q235B，質量要求符合GB 700標準，鋼管DN200 mm以上全部采用螺旋焊管，DN200 mm及以下采用20號鋼無縫鋼管，而本工程則主干線DN1 400采用螺旋縫電焊鋼管，材質選用為L290。

L290與Q235B性能見表1。

表1 管材性能

從表1可以看出，L290明顯優于Q235B，各項指標控制嚴格，更適合大口徑管道應用，因此結合價格因素及鋼材性能考慮，DN1 400主干線選用L290鋼材。

線鋼是在傳統的C-Mn鋼的基礎上加上合金元素(主要以Nb，V，Ti或少量的Mo，Cu，Ni，Cr及B)，以合金元素來對管線鋼進行合金設計，達到不同的強度等級及性能要求，結合控軋控冷的新工藝，生產出綜合性能優異的管線鋼。管線鋼各項指標均優于Q235B，特別是管徑大，超過低壓上限的輸送管線中，應考慮水錘壓力和考慮安全系數的情況下，應盡可能的使用管線鋼。管線鋼鋼號最低為L175，以上依次為L210，L245,L290，L320及更高鋼號，其中L245與Q235B屈服強度相近，比較意義不大，選用L290時，由于許用應力增加，可以降低壁厚。

L290鋼：許用應力按138 MPa計算，計算公式如下[2]：

δ≥δm+B，

B=×δm。

其中，δm為工作管最小壁厚，m；Pd為管道計算壓力，MPa；Do為工作管外徑，m；[σ]為鋼材的許用應力，MPa；δ為工作管公稱壁厚，m；δm為工作管最小壁厚，m；η為許用應力修正系數，無縫鋼管取1.0，螺旋焊縫鋼管，可取0.9；Y為溫度修正系數，可取0.4；B為管道壁厚負偏差附加值，m；為管道壁厚負偏差系數。

其他計算參數和上述Q235B計算相同，選用L290管材時，計算壁厚為15.6 mm，考慮安全余量，建議選用壁厚18 mm。

3 敷設方式

目前供熱管網的設計方式較多，主要有補償、預熱安裝及無補償冷安裝等。但采取何種安裝方式是在制定設計方案時首要考慮問題，目前采用較多的是無補償冷安裝方式[1]，從表2可以看出，尤其是在城市道路下埋設供熱管線，地下各種管線錯綜復雜，供熱管線本身體量較大，如果各種附件設置太多或者工期較慢勢必會對其他管線的安裝及道路設施造成不利的影響。

表2 管線安裝方式對比

無補償冷安裝直埋熱水管道，直管段通常可以不設補償裝置且不必預熱，管道焊接和溝槽回填等安裝過程都在冷態條件下進行。無補償冷安裝是指供熱管道的整體焊接溫度等于溝槽回填時的溫度，即管線焊接和溝槽回填等安裝過程都是在正常的環境溫度下進行的。

在冷態的環境溫度下管道處于零應力狀態，在運行工況下熱應力增大，但應力變化范圍始終控制在允許值之內。在熱水管道直埋敷設中可以發揮明顯優勢，利用溫度應力具有自限性的特點，充分發揮管材的承載能力。

無補償冷安裝相對于有補償和預熱方式的性能比較具有如下明顯優點：

1)減少了固定墩和檢查井，占地少；

2)安裝簡單，施工周期短；

3)投資少，無預熱或額外補償裝置所需要的費用；

4)管道不動的錨固段較長，管路附件少，維修管理工作量少，運行安全可靠；

5)管網停運期間管道處于低應力狀態，管道維修施工和分支安裝不必采取特殊措施；

6)泄露點少，便于維修。

4 彎頭應力驗算

管道彎頭選用焊制或沖壓彎頭，三通均采用跨越型式，焊縫探傷要求符合Ⅱ級標準。橫向波紋管補償器采用多層結構，液壓成型，材質為SUS316L。套筒補償器采用柔性填料型，芯管鍍鋅或鉻。

彎頭應力計算公式如下[5]：

σbt+0.5σpt≤3[σ]，

其中，σbt為彎頭在彎矩作用下最大環向應力變化幅度，MPa；βb為彎頭平面彎曲環向應力加強系數；Ib為彎頭橫截面的慣性矩，m4；rbo為彎頭橫截面的外半徑，m；M為彎頭的彎矩變化范圍，N·m；δb為彎頭的公稱壁厚，m；rbm為彎頭橫截面的平均半徑，m；λ為彎頭的尺寸系數；R為彎頭的曲率半徑，m；[σ]為鋼材的許用應力，MPa；σpt為彎頭在內壓作用下的最大環向應力，MPa；Pd為管道計算壓力，MPa；rbi為彎頭橫截面內半徑，m；δb為彎頭的公稱壁厚，m。

5 固定墩

傳統直埋設計中固定支墩的推力計算很大，尤其在大口徑的供熱管道產生的推力高達上千噸，導致土建專業設計的固定墩尺寸太大，不但增加造價，施工困難，而且延長了施工工期。因此，允許固定墩的產生微量墩位移，這樣就可以大大減小固定墩的合成推力，降低工程投資額[2]。

6 保溫層及保護層

6.1 保溫層材料

主要技術性能應滿足下述指標:

密度不應大于350 kg/m3，平均工作溫度下的導熱系數值不得大于0.12 W/(m·K)。

除軟質、散狀材料外，半硬質的保溫材料壓縮10%時的抗壓強度不應小于0.2 MPa，硬質預制成型制品的抗壓強度不應小于0.3 MPa。直埋部分管道選用高密度聚乙烯外護管聚氨酯泡沫塑料預制直埋保溫管，保溫層為聚氨酯泡沫塑料。

6.2 保溫層厚度計算

對于聚氨酯泡沫塑料保溫層，推薦經濟厚度供水管為80 mm，回水管道60 mm，實際使用時，供水管保溫層選用厚度100 mm，回水管保溫層仍選用厚度60 mm。

對于DN1 400長距離輸送管道，輸送到熱力站的供水溫度直接影響溴化鋰機組的換熱效果，影響各個熱力站的回水溫度，從而最終影響電廠內的余熱回收效果，影響工程的整體經濟性，因此保溫效果至關重要。根據上述保溫厚度測算：

1)長輸管道散熱損失。

供水管道對于供熱效果影響較大，回水管道由于可以通過乏汽加熱彌補溫度損失，因此僅計算供水管道熱損失。按上述保溫結構，管道熱損失不超過65 W/m2，供水管道輸送熱損失約1%。

2)管道表面溫度計算。

根據上述數值計算，管道表面溫度僅比環境溫度高3 ℃～4 ℃。

7 其他技術要點

供熱管道敷設方式采用無補償冷安裝直埋敷設方式，無補償冷安裝中錨固段管道軸向力較大，在溫度和壓力變化過程中，應力集中引起的峰值應力，應力集中通常發生在管路附件(如彎頭、折角、三通、閥門等)處。因此，在管道折角處，采用大曲率半徑的彎管進行處理，可大大減少折角的應力集中，避免為保護折角設置大量的補償器和固定墩，提高了管網的可靠性和安全性，減小了施工難度，加快了施工進度和大大減小了工程造價，是目前處理小折角最先進的設計工藝，進一步提高了無補償冷安裝的設計理念。

8 結語

大口徑供熱管線設計本著符合城市總體規劃及熱力規劃，切實結合城市建設發展特點[3]，統籌安排合理設計方案，技術先進，環保可靠，節能要顯著，降低工程造價，加快工程進度，城市發展進一步作出貢獻。