發電廠直埋供熱管道的設計與施工探討

朱 濤，潘八慶

（江蘇宏鑫管道工程設計有限公司，江蘇 無錫 214200）

近年來，供熱管網建設逐步成為重要的基礎設施，是城市化進程加快的重要標志，也符合當前城市可持續發展的理念。供熱管道敷設的方式具有多樣性，尤其是對發電廠的長距離輸送管道而言，直埋供熱管道敷設是一種應用非常普遍的管道敷設技術，并且其可以獲得良好的使用效果，具有占地少、施工周期短、熱損小的特征。與其他管道敷設技術相比，該種施工技術的效益更高，可以保持發電廠良好的運行狀態。

1 直埋供熱管道的設計方法

1.1 直埋供熱管道的荷載及應力特征

在直埋管道實際的施工過程中，常常將所有使管道產生內力或者應力的因素稱為荷載，荷載超過規范標準允許范圍就會導致管道的損壞。對供熱管道而言，溫度與壓力是引發荷載的重要因素，軸向位移會產生一定的軸向摩擦力，側向位移會對土壤產生一定的壓縮力。在供熱管道施工中，基于管道局部結構的差異性，在一些局部結構不連續區域內，往往會伴隨著應力的過度集中現象，此時的應力為峰值應力，在一定的條件下，這種應力分布狀態會引發管道的變形等現象。一旦在管道施工中存在循環變化的峰值應力，管道內部極易引發結構性破壞，對管道的正常供熱等產生了極為不利的影響。另外，管道施工中，如果土壤對管道產生的支撐力較為均勻，在一定程度上也可以對管道起到必要的防護作用，使得管道施工中沒有產生自重彎曲應力，避免了管道的損壞。從供熱管道的類型來看，其所使用的管道的公稱壁厚遠遠高于該壓力下管道的計算壁厚，而此時，管道內壓產生的實際應力遠遠低于管材本身的屈服應力。與此現象相對應，如果管道中的熱脹變形的壓力無法及時釋放，就會使得管道內存在較大的熱應力，一旦超過管材本身可以承受的極限，就會引發管道的破裂與變形。因此，在直埋供熱管道的設計與施工中，溫度是需要考慮的主要因素。

1.2 杜絕直管破壞的設計對策

基于直埋供熱管道的荷載與應力特征，在直埋管道的設計上，應著眼于管道破壞的主要因素，采取必要的控制措施。

（1）避免循環塑形破壞的設計對策。管道溫度的變化會引發管道的應力變化。具體而言，當管道溫度處于循環的最高溫與最低溫變化狀態下時，其所產生的應力波動也較大，在這種情況下，極易引發循環塑性現象的發生。因此，管道溫度的變化是引發循環塑性現象的主要原因，無論是何種類型的管道都是如此。以熱水或者蒸汽直埋管道為例，在熱水管道安裝過程中，如果處于錨固狀態下的直管段滿足不發生循環破壞作用的安全性條件時，錨固狀態的管道允許安裝與使用，此時的安裝方式最好采用無補償安裝方式，反之就需要設置相應的補償裝置，來實現管段應力變化的調整，降低管道安裝過程中循環塑性破壞發生的可能性；而蒸汽直埋管道只要注意在外套管中留有足夠的空間，可使工作內管在膨脹時不受或少受限制，應力才可充分釋放。

（2）杜絕整體失穩破壞的對策。直埋供熱管道的設計中，不僅要考慮循環塑性對管道的損害，還需要考慮管道的穩定性。如果管道的穩定性不足，也會引發管道的破壞，造成供熱系統的局部失穩而發生事故。通常情況下，維持供水溫度在130℃左右，而管徑大小控制在DN500以下，實施無補償冷安裝方式管道基本不會發生循環塑性變形或者破壞。但是，當管道的埋深在1m以上時，需要考慮管道的穩定性情況，避免其安裝失穩。如果要在安裝過程中實現對彎頭、折角等部件的保護，在一些局部管段，往往需要設置補償裝置，采用有補償安裝方式。近年來，預應力安裝方式可以有效應對安裝失穩問題，但是其安裝過程復雜、控制要求高、措施多，相應的費用也增加。因此，預應力技術逐步被其他安裝方式所取代，比如可以通過增加覆土深度等來提升無補償直埋管道的穩定性。

2 直埋供熱管道的施工手段

直埋管道安裝工藝較為復雜，在安裝過程中要對安裝方式加以科學選擇。通常，無補償的安裝方式與有補償的安裝方式有所區別。無補償應盡量利用土壤對管段的自然約束，設計安裝時應適當加大管道安裝深度，并在回填時對管段覆土進行均勻的夯實以避免管段的失穩；而有補償直埋則為了降低工程造價，盡量減小管道的埋深，讓管道的膨脹應力通過補償器自然釋放，并可減少土建的開挖量。

2.1 直埋供熱管道的安裝對策

發電廠長距離輸送直埋供熱管道敷設中，由于管道中的應力是熱脹變形無法釋放所產生的，因此，在管道安裝與施工過程中，必須通過應用不同的安裝方式來改變這種現象。不同的安裝方式下，熱脹變形大小與變形的釋放程度可以得到調整與改變，改變管道原有的應力分布狀態。對發電廠直埋供熱管道施工而言，由于熱脹變形大小與零應力狀態所對應的溫度之間存在著緊密的聯系，通過對使用溫度與安裝溫度加以對比分析，此時發電廠管道安裝包含了冷安裝與預應力安裝兩種。如果零應力狀態下的溫度與安裝的環境溫度相等，采用冷安裝方式；而如果零應力狀態下的溫度與預熱溫度相同，則采用預應力安裝方式；根據熱脹變形的釋放情況，一般可以分為無補償與有補償安裝。

（1）無補償冷安裝。發電廠熱水管道直埋無補償安裝適合管道無截面、無方向變化的長直段直埋管段。在進行管道的回填施工時，不需要進行預應力安裝與補償安裝，主要是由于溫度在變化的過程中，管段處于相對穩定的錨固狀態。因此，從無補償冷安裝技術的應用效果來看，這一安裝方式與其他安裝方式最為明顯的區別就是其安裝操作相對簡單，且安裝的成本較低。但是，此種安裝方式下，管道承受的應力較大，如果安裝過程中管道的強度符合工程要求，這種安裝方式所取得的安裝效果明顯。

（2）有補償安裝方式。在發電廠直埋供熱管道的施工過程中，對于不滿足上述要求的熱水直埋及蒸汽直埋管道則更多地使用補償器補償技術。在這種安裝方式下，補償裝置周圍處于滑動狀態下的管段屬于有補償安裝，補償器的存在會使得供熱管道安裝的總體成本上升，但相對來說大幅提高了電廠長距離供熱直埋管道的使用安全性。

（3）預應力安裝方式。預應力安裝方式普遍應用于熱水直埋管道安裝中，在應用的過程中實現了管道安裝溫度的調整。因此，從預應力安裝技術的應用效果來看，只有當管道的安裝溫度與預熱溫度相同時，應用預應力安裝技術才最為有效，此時不存在管道應力。一旦管道的安裝結束以后，預應力安裝方式就可以充分發揮其技術優勢。一般情況下，預應力安裝通常通過預熱與一次性補償相結合的方式來實現。預熱主要是在回填之前的過程，當管道安裝溫度與預熱溫度相同時再開始回填處理，此安裝技術的核心是熱源供應的充足性與及時性，管道安裝現場要存在管溝的敞口現象。而一次性補償安裝主要是發生于管道回填之后，一次加熱處理時，補償管的熱脹變形量與預熱溫度下的自由膨脹變形量等同時，方可進行一次補償器的焊接。在溫度不斷變化的過程中，管道應力的分布逐步均勻，從而實現了良好的預應力效果。

2.2 直埋供熱管道的布置與敷設方式

（1）做好選材工作。對發電廠直埋供熱管道而言，由于其內壓較低，這就使得如果內壓導致總體一次薄膜應力在允許值的50%以下時，管道破裂發生的可能性就相對較低。為保證管道敷設的整體質量，保持供熱系統的穩定運行，工程人員要加強對管道選材的管理，盡量選用受力均勻、塑性好的無縫鋼管。

（2）布置管道的方式。設計規范中明確規定了發電廠直埋供熱管道布設。在管道的布設上，施工單位要嚴格遵守其規定。如果發電廠直埋供熱管道施工中，穿越河底的覆土深度要充分考慮管道的穩定性、水流沖刷等作用，管道上的閥門必須能夠承受其軸向荷載，因此，盡量應用鋼制閥門，連接中采用焊接的處理方式。在管道的一些特殊位置，比如壁厚變化區域內，要設置補償器等。同時，嚴格控制管道的安裝誤差，如表1所示。

表1 管道安裝誤差

3 結束語

發電廠為經濟社會的發展提供了所需的電力資源，供熱系統施工是發電廠施工的重要內容。在供熱管道的安裝與布設上，必須遵循國家相關的安裝與布設要求，保證供熱管道在滿足安全性的前提下，對安裝方式加以科學選擇，保證安裝的整體效果，使得發電廠供熱管道可以發揮其應有的作用。