球墨鑄鐵管熱脹冷縮對供暖管道的影響

李成章 張 濤，2 左 超，2 許國方

（1．新興鑄管股份有限公司，河北 邯鄲 056300；2．河北省球墨鑄鐵管工程技術(shù)研究中心 ，河北 邯鄲 056300）

城市集中供熱管道通常在供暖季輸送過熱水，溫度和壓力都較高，對運(yùn)行管道管材要求較高。近年來，隨著城市集中供暖的快速發(fā)展，熱力管網(wǎng)設(shè)計(jì)和建造的新技術(shù)新產(chǎn)品也在不斷涌現(xiàn)。在諸多熱力管網(wǎng)產(chǎn)品中選擇一種既滿足供熱要求、造價低廉、施工方便，又易于維護(hù)檢修的供熱產(chǎn)品，是熱力行業(yè)需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。最近，新興鑄管股份有限公司另辟蹊徑，大膽革新嘗試，提出了一種在城市供熱管網(wǎng)中采用球墨鑄鐵管供熱的方法，其具有安裝方便、綜合造價低、易于檢修、增加使用年限等優(yōu)點(diǎn)，得到了熱力行業(yè)的充分肯定，市場應(yīng)用前景廣闊。高溫運(yùn)行管道在運(yùn)行中必然會出現(xiàn)管道熱伸長現(xiàn)象，如果該現(xiàn)象得不到有效補(bǔ)償，將會使供熱管道在運(yùn)行中承受巨大的應(yīng)力作用，甚至導(dǎo)致管道變形、破裂，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。球墨鑄鐵管做為滑入式柔性承插接口，每一支球墨鑄鐵管都可以當(dāng)做是一個補(bǔ)償器。只要在接口之間留下適當(dāng)?shù)陌惭b間隙，就能保證接口之間完全釋放熱補(bǔ)償伸長量，使管道在熱狀態(tài)下穩(wěn)定安全運(yùn)行，減少了供熱管道建設(shè)成本，并增加了安全運(yùn)行可靠性。

1 熱力用球墨鑄鐵管結(jié)構(gòu)

熱力用球墨鑄鐵管口徑為DN100-DN1400，不同口徑球鐵管結(jié)構(gòu)相同，分為3個部分：內(nèi)部為球墨鑄鐵管管身，中間部分為聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料，最外層為聚乙烯外護(hù)管，如圖1所示。

球墨鑄鐵管材料具有同碳鋼接近的力學(xué)性能，如機(jī)械強(qiáng)度高、韌性好等，同時具有鑄鐵特有的耐腐蝕性能，因此球墨鑄鐵管具有良好的防腐、抗壓及延伸等優(yōu)點(diǎn)，適合用于供熱運(yùn)行管道。球墨鑄鐵管接口之間用耐高溫膠圈連接，球鐵管的插口外壁擠壓安放在承口內(nèi)的橡膠圈，使其壓縮變形而產(chǎn)生一定的接觸壓力，當(dāng)管道內(nèi)水壓增加時，水壓會對膠圈產(chǎn)生一定的壓力，水壓越大，對膠圈的壓力就越大，從而使膠圈產(chǎn)生自密封作用，能承受住高壓而不漏水，使橡膠圈保持良好的接口密封性能。

中間保溫層為聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料是一種以聚氨酯為原料的泡沫塑料，密度為40 kg/m3～60 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)≤0.027W/m·K，透濕系數(shù)≤6.5ng/（m·s·Pa），吸水率為3%～4%。它的主要性能特點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)小、密度低并且有一定的硬度，在已有保溫材料中，該產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)是最低的；使用溫度較高，一般可達(dá)100 ℃，添加耐溫輔料后，最高使用溫度可達(dá)180 ℃；抗壓強(qiáng)度較高；化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿等。現(xiàn)場噴涂聚氨酯泡沫塑料，壓縮性能高，施工簡便，使用溫度高等，特別適用于供暖管道保溫[1]。

最外層聚乙烯外護(hù)管以高密度聚乙烯為原料，具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊、耐環(huán)境應(yīng)力開裂、耐腐蝕、耐低溫、易焊接、施工簡便、嚴(yán)格密封無滲漏、使用壽命長等特點(diǎn)，可以有效地防水、防潮、耐酸、堿、鹽、油，可耐溫120 ℃，有效解決了供暖管網(wǎng)易腐蝕的問題，大大提高了管線使用壽命。

2 球墨鑄鐵管安裝

圖1 熱力用球墨鑄鐵管結(jié)構(gòu)及安裝簡圖

采用球墨鑄鐵管作為熱力管網(wǎng)輸送時，可以直接埋在地下，不需要修建專門的管溝及支托架，供熱管道直埋鋪設(shè)具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，主要表現(xiàn)在工程造價低，熱損失小、節(jié)約能源，防腐、絕緣性能好、使用壽命長，占地少、施工快、有利于環(huán)境保護(hù)和減少施工擾民等優(yōu)點(diǎn)。

采用直埋鋪設(shè)時，當(dāng)管線平面位置確定后，采用機(jī)械開挖溝槽，開挖管溝溝底寬度和工作坑尺寸應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定，設(shè)計(jì)未規(guī)定時，槽底寬度可按下式確定：

式中：ɑ—溝槽底寬度（m）。DR—外護(hù)管外徑（m）。

s—兩管道之間的凈距（m），取0.4 m。

c—安裝工作寬度（m），取0.2 m。

安裝前應(yīng)準(zhǔn)備好施工所需的工具、器械和設(shè)備，使用起重機(jī)、繩子或其他合適的工具或設(shè)備將管子小心地放入溝渠中，并在安裝之前，要仔細(xì)檢查管子和保溫層是否存在損壞或其他缺陷。連接時，首先將膠圈按正確的安裝方式放入承口內(nèi)部，將保溫管的插口和承口對中，然后將保溫管的插口緩慢地推入承口中，插到2條插口線中間即可。

3 球墨鑄鐵管熱補(bǔ)償計(jì)算

當(dāng)管道熱膨脹受約束時，熱膨脹量就被壓縮，壓縮程度與約束外力、安裝溫度和運(yùn)行溫度差等有關(guān)。管道熱伸長量的大小也與管材的種類、管段長度及溫度數(shù)值有關(guān)。假定管道兩端沒有任何約束，當(dāng)管道運(yùn)行溫度高于安裝溫度時，自由熱膨脹量計(jì)算公式為：

式中：Δl—自由熱膨脹量（m）。

α—線膨脹系數(shù)（m/（m·℃））。

l—管道長度（m）。

t1—管道運(yùn)行溫度（℃）。

t0—安裝溫度。

球墨鑄鐵材料線膨脹系數(shù)約為11.2×10-6m/（m·℃），球墨鑄鐵管單支管長度有2種規(guī)格，分別為6 m和8.15 m。根據(jù)上述公式計(jì)算，表1是不同管道運(yùn)行溫度與供熱管線安裝溫度差值下管道熱膨脹量。

管道的熱膨脹力是由于溫差產(chǎn)生的，但是熱膨脹力是否導(dǎo)致管道產(chǎn)生內(nèi)力，就要考察管道的熱膨脹量是否被壓縮，而球墨鑄鐵管作為柔性接口，每一支之間都有一定量的安裝間隙，當(dāng)管道產(chǎn)生熱膨脹力時生產(chǎn)伸長，每個接口可以完成接收管道的伸長，因此，使用球墨鑄鐵管運(yùn)行供熱管道時，不會使管道發(fā)生熱膨脹力。

圖2 120 ℃運(yùn)行溫度分析結(jié)果

表1 單支管不同溫差下的熱膨脹量

根據(jù)上述理論計(jì)算，得出管道在120 ℃下運(yùn)行時，最大熱伸長量為9.1 mm，為了驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果，我們利用ansys軟件進(jìn)行分析求證。假設(shè)安裝溫度為20 ℃，運(yùn)行溫度為120 ℃，承口一段進(jìn)行固定，另一端自由伸長。管線伸長量分析結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)上述分析結(jié)果可以看出，在120 ℃運(yùn)行溫度時，相同8.15 m長度不同口徑相的球鐵管伸長量分別為9.1 mm和9.2 mm，與理論計(jì)算值基本相符。

4 結(jié)論

根據(jù)目前供熱管道流體溫度設(shè)計(jì)及施工時的溫度來看，管道運(yùn)行溫度與安裝溫度差值大都不會超過100 ℃，根據(jù)表1中計(jì)算結(jié)果和軟件分析可以看出，即使管線溫差為100 ℃，單支管管長為8.15 m時，單支管的熱膨脹量只有9.2 mm，而球墨鑄鐵管的安裝間隙最大可以達(dá)到20 mm，在此間隙下，接口完全可以保持良好的密封效果。因此，我們在球墨鑄鐵管保溫管安裝時，根據(jù)插口線標(biāo)示，控制每個接口預(yù)留10 mm的安裝間隙即可，單支管道因溫度升高而產(chǎn)生的熱膨脹量在接口處可以完成釋放，管道不會殘存熱膨脹應(yīng)力，也無須再供熱管線中設(shè)置伸縮裝置，球墨鑄鐵管運(yùn)行管道可以在供熱管道安全運(yùn)行。