直埋熱力管網經濟性淺析

楊植

【摘? 要】地下管網是重要的流體介質輸送設備，以低廉的輸送成本成為液體氣體物質運送的首選。特別是市政基礎設施更離不開各種管道的支撐，它給現代化的城市居住帶來了一系列的便捷，為人類的幸福生活增添活力。城市基本建設中有相當一部分采用地下直埋管網，用此方法既有它的優勢、還存在一些缺點，本文將重點從熱力管網的用途、材質、施工工藝和后期的運營使用維護等方面進行分析探索地下直埋管網的經濟性。

【關鍵詞】管網材質;施工工藝;運行維護;新工藝新材料

前 言

地下管網作為市政的主要基礎設施，它的能否安全穩定地運行直接影響著城市企業的正常生產活動和廣大居民的便捷生活，為此作為城市的主管、經營和管理部門往往把地下管網看作是城市的重要組成部分。特別是地下管網產生泄漏與爆裂事故，會致使方方面面的用戶收到嚴重的影響，帶來巨額的財產損失，所以市政地下管網從設計、論證、施工是一件很嚴謹的工作，盡量做到科學、經濟、合理、可靠的終極目的。

1各種地下管道用途

市政地下管網可謂名目繁多有給排水管道、熱力管道、燃氣管道、電力電纜管道、通訊信號及光纜管道等，這些管網相互交織與城市的地下，由于管道的用途各異加之施工建設的年代不同，特別是近二十年我國的科技力量與進步速度是人類歷史的飛躍時期，歷史悠久的老城市地下的管網設施各種各樣的材質都存在，這些管網構成了一部管網材料發展史，本文重點對市政熱力管網進行淺析，對其它管網不進行深入研究。

2地下管網材質與種類

地下管網材質有水泥管、陶瓷管、鑄鐵管、玻璃鋼管、碳鋼管、PVC管、PE管和PPR管其它復合材料管等。這些管道由于材質的各異其特性也不同，使用環境的差異也可導致管網使用周期的差異，類似直埋管網長期與潮濕土壤的接觸會產生各種反應或腐蝕，致使其固有的性能下降，所以在設計時必須充分考慮其直埋后的使用壽命。

3直埋熱力管網敷設工藝和經濟性

管網直埋敷設簡稱直埋，指的是管道直接埋設于土壤下的敷設方式。直埋敷設與地溝或地下管廊敷設相比，具有如下特點：不需要砌筑地溝或建造管廊，土方量及土建工程量最少，施工進度最快，可節省管網建設的一次性投資資金，因為其施工成本造價低廉又是城鎮公共事業的重要組成部分，所以直埋管網是市政基礎設施建設的首選方案。隨著城市化發展進程飛躍，集中供熱加速發展，供熱面積不斷增大，對市政供熱管道的直埋敷設技術要求也越來越高。如何使管網更好地節約成本，確保管網的安全、經濟、穩定、可靠地運行成為供熱行業內的重要研究課題。供熱管道直埋就是將管道直接埋入地下，利用管道自身的機械強度及其附件來共同承受管道供熱時產生的熱應力。經過多年的實踐分析與總結，為能夠滿足熱力管網系統運行的安全性與可靠可靠性，千方百計地減少投資和維修方便經濟的原則，在直埋熱力管網的設計與敷設過程中必須重點考慮到下列因素：

1、熱力管網的軸向熱膨脹與應力

市政熱力管網的設計壓力一般為0.6～2.0MPa;通過對管道的應力分析，得到其中內部壓力的實際應力遠遠小于管材的屈服應力值。由于管道的溫升使管道產生了較大的軸向膨脹力和壓應力相疊加，所以在直埋管熱力管網設計中應予以進行全面的分析與計算，可得出管網在各種不同工況下的應力狀態和具體的克服與消除辦法，確保管網的安全性、經濟性與可靠性。熱力管網破壞方式主要有以下幾種：

1）塑性變形。當溫度變化時管道開始產生塑性變形，也就是通常所見的熱脹冷縮基本原理，當產生較大的溫度變化時，而熱脹變形又不能全部釋放時，在整個加熱過程中，管道壁因軸向伸長的同時熱應力就產生軸向塑性變形;管道而冷卻時，管道壁因軸向拉應力而產生軸向拉伸塑性變形，當脹差差超過一定范圍值后，便會出現管道破壞的現象。

2）疲勞破壞。指的是管道應力集中通的部位，通常發生在管網中的彎頭、三通、大小頭處等。這些位置在溫度變化過程中，應力比較集中，在管道結構不連續處就產生應力峰值現象，會引起管道的疲勞破壞。

3）高循環疲勞破壞。具有一定重量的物體或車輛通過管道上方土壤時，部分重力與共振力可作用在管壁上，致使管壁局部截面瞬時產生橢圓變形，產生相對應力集中而造成管道破壞。

4）整體失穩。直埋熱力管道在正常運行的情況下軸向壓力最大，由于壓力與杠桿效應，很可能會引起管網的整體失去穩定性。特別是承受溫差較大的管道又無補償器的安裝方式，溫升作用完全轉化為很高的軸向壓力，很容易出現整體失穩造成管道破壞。

5）局部失穩。一是管道的軸向應立變化，即受熱膨脹變形的大小和熱脹變形后的釋放程度。二是從管道局部看，管道屬于薄壁殼體，在軸向壓力的作用下，管壁存在受壓致使局部失穩。通過計算得出，管道局部失穩的可能性，是隨著管壁的增厚而變小，因此相應的覆土厚度，必須對應一定的鋼管臨界壁厚。

從以上的破壞方式來衡量，熱力管道的安全、穩定可靠運行與軸向應力有極大的關聯，軸向應力最主要取決于溫度應力。當管道直徑大于DN500㎜時，管道局部的屈服值增大，為了降低局部的屈服值，必須對溫度應力進行相應的控制，同時要根據不同的控制方式方法設計直埋管道的敷設方式。

無補償直埋冷安裝方式是最簡單最經濟的安裝方式，即管道不安裝設置補償器。當管道加溫時熱脹應力全部轉化為溫度應力，使管道在運行中承受較大的軸向壓力。如果壓力無法得到有效的釋放會致使管道破壞，一般不予采用。有補償的直埋敷設，可以采用自然的U、Z、L、型的彎管作為補償裝置，在實際工程中利用閥門井或檢查井提供一定的空間進行補償，或者是采用補償器進行補償。對于應力相對集中的三通、彎頭、大小縮頭等連接處設置撓性連接來保護應力集中的管件。由于管道增加了補償器和必要的撓性連接，管道的熱脹變形在熱態的時候得到了充分的釋放，使得整個管道完全處于可滑移伸縮狀態。因此管道的應力降到最低，管壁的局部屈服值降到最小，確保工程的設計方案在技術和經濟方面安全合理。

2、管網材質因素

1）熱力管網材質的選擇

由于是直埋管網，管網的上方還存在著其他的設施，如果是因為管網的失效泄漏進行搶修，會造成很大的經濟損失，為了管網不影響其他設施設計時要盡可能地將它的使用壽命延長，管網的材質性能至關重要，要選用強度高、耐磨損、耐腐蝕、易于焊接加工的金屬材料用作直埋。如耐候鋼，用于直埋是一種現階段比較理想的管材。

與常用材質的對比

有縫鋼管也是目前市政工程常用的管材之一，其特點是強度、塑性、韌性、焊接性、加工性都能夠滿足要求，但是唯一的缺陷是耐腐蝕性差，管道表面防腐層工藝不到位或受損，直埋在地下潮濕土壤環境下，極易由點到面產生腐蝕形成泄漏區域，由于采用地下直埋法施工，維修時需破壞覆蓋層或其他設施，一旦泄漏維修費用高昂。

耐候鋼，是在普通碳鋼中加入鉻、鎳、銅、磷等微量元素后，使鋼材表面形成致密和附著性很強的一層保護膜，阻礙銹蝕往里擴散，保護銹層下面的基體，以減緩其腐蝕速度。在銹層和基體之間形成的約50μm～100μm厚的非晶態尖晶石型氧化物層致密且與基體金屬黏附性好，由于這層致密氧化物膜的存在，阻止了大氣中氧和水向鋼鐵基體滲入，減緩了銹蝕向鋼鐵材料縱深發展，提高了鋼鐵材料的耐大氣和水份腐蝕能力。并具有優質鋼的強韌、塑性、焊割、磨蝕、成型、高溫、疲勞等特性;耐候性為普通A3碳鋼的2-8倍，涂裝性為普碳鋼的1.5-10倍。耐耐候鋼是可減薄使用、裸露使用或簡化涂裝，而使制品抗蝕延壽、省工降耗、升級換代的鋼系，也是一個可融入現代冶金新機制、新技術、新工藝而使其持續發展和創新的鋼系。與不銹鋼相比，耐候鋼只有微量的合金元素，諸如銅、鉻、鎳、鉬、鈮、釩、鈦等，合金元素總量僅占百分之幾，而不像不銹鋼那樣，達到百分之十幾，因此價格較為低廉。因此耐候鋼管完全可以取代普通A3碳鋼管。

2）管網施工關鍵環節的控制

直埋熱力管網屬于地下永久性設施，對施工要求比較嚴格，每個關鍵環節必須按照設計要求把控過程與質量，最為重要的是焊接環節，可視作管道質量的生命，如果焊縫不合格造成泄漏，不僅修復費用高而且管網停運還給熱力用戶帶來巨大損失，所以必須按照焊接特種作業的要求，具有相應資質的焊工進行焊接并且嚴格執行耐候鋼焊接工藝措施，使用抗大氣腐蝕的填充金屬焊材與母材一致的原則，應該確保焊縫本身的耐候性。在焊接之前，應該將已形成的表面層清除至接頭邊緣10mm到20mm的距離。可采取的主要措施有：（1）選用堿性焊條、焊劑。（2）合理安排焊接次序，減小焊接應力。（3）控制焊縫的形狀，對接焊縫和角焊縫的外形應為微凸形，焊縫末端采用回焊收尾法，手弧焊和半自動焊接焊縫弧坑需焊滿。（4）采用合理的焊接規范，適當減小焊接電流并提高電弧電壓。焊后焊縫外觀無焊接缺陷，符合國標要求。并且進行無損探傷和耐壓檢驗。焊縫檢驗合格后進行歸檔。

3、管道的防腐保溫

1）管道防腐

管道外層的防腐層能夠有效地抵抗介質的氧化與腐蝕，特別是直埋于地下的管道可以延緩腐蝕期或不腐蝕的目的，增長管道使用壽命實現管網使用的經濟性。直埋管道的防腐措施通常采用“三油五布”法工藝進行防腐處理，首先對管道外壁進行除銹標準達到Sa2.5級以上，除銹后迅速完成第一遍底漆的涂刷，待底漆干后再進行三油五布的防腐層，每加一道玻璃絲布刷一道環氧煤瀝青，必須等其干后再進行下一道的防腐，做到外觀平整無皺著和鼓包現象，玻璃布網孔全部被油漆灌滿，厚度約為450 μm。防腐層做完后必須對其厚度、附著力進行檢查，使用電火花檢漏儀對防腐層進行電力化檢查，檢漏的電壓為3000V，每項指標必須達到國標要求，確保防腐層的質量與防腐效果。

2）管道保溫

直埋保溫管道自三十年代聚氨酯合成材料誕生以來，一直作為一種優良的絕熱保溫材料而得到迅速發展，其應用范圍也越來越廣泛，

更由于其施工簡便、節能防腐效果顯著。各行各業都在應用。直埋保溫管道鋼套管的防腐蝕等級應根據當地土壤腐蝕性等級確定。當土直埋保溫管壤的腐蝕性等級為高時，防腐蝕等級應考慮特加強級，當土壤的腐蝕性等級為中時，防腐蝕等級應考慮加強級，當土壤的腐蝕性等級為低時，防腐蝕等級應考慮普通級。因此直埋管網設計時一定要搞清楚管線敷設段土壤的腐蝕等級，以便防腐等級優化。

4、施工全過程監督因素

由于直埋熱力管網是在地面以下，一般設計使用期限比較長，起碼達50年以上的地下永久性設施，管網施工結束后是無法對其進行后期的維護與檢修，因此管網施工時從挖溝深度、溝內墊沙厚度、管道的布局、焊接工藝、附件的安裝、管道耐壓實驗、閥門井和檢查井的設置、防腐和保溫工藝和整體驗收等等，在整個施工過程的每個環節都進行全過程監督，嚴格執行國家標準確保整體管網工程質量。

5、結束語

綜上所述，直埋熱力管網與地溝或地下管廊相比較是一種絕對經濟的管網敷設方式是地溝敷設造價的40%，是地下管廊造價的20%左右，只要是直埋敷設從設計、施工、監理、驗收各環節層層把關到位，也能確保管網在使用過程的安全、經濟、穩定和可靠型。在管網設計和施工過程中盡量推廣和應用新技術、新材料、新工藝，保障這種地下永久性設施的使用壽命，是一種造價低廉且能夠滿足使用條件的一種敷設方式。地下直埋熱力管網完全可以采用耐候鋼管，也很值得我們去探索和推廣。

（作者單位：國家能源準格爾能源集團公用事業公司）