大管徑長輸熱網特殊節點處理及保溫管道設計

崔 燕，王 磊，劉 磊， 聶 克，李明強

(1.泰安市泰山城區熱力有限公司，山東 泰安 271000；2.天津市市政工程設計研究總院，天津 300392)

1 概述

泰安市城區外主熱源至主城區長輸熱網項目的主干線長度約17.5 km，其中DN 1 200 mm主干線長度約12.5 km，DN 900 mm主干線長度約5 km。設計壓力為2.0 MPa，設計供水溫度為120 ℃，設計回水溫度為60 ℃。供熱管道主要敷設于非機動車道、農田以下，全部采用直埋敷設方式。自2019年3月15日開始方案設計，2019年11月15日全線投入運行。本文結合該項目，對長輸熱網特殊節點(主要為穿越城市道路、鐵路、河流節點)處理及保溫管道設計進行探討。

2 特殊節點處理

① 穿越城市道路

主干線與城市道路交叉6處。在供熱管道穿越城市道路時，主要采用人工頂管施工。與機械頂管施工相比，人工頂管施工成本低，能適應大卵石地層，噪聲小。施工過程開挖小，對周圍造成的影響比較小。

過路供熱管道采取供、回水管道分設鋼質外護套管方式，DN 1 200 mm管道選用D1820×20鋼套管，DN 900 mm管道選用D1520×18鋼套管。

② 穿越鐵路

DN 900 mm主干線與京滬高鐵泰安段交叉1處。經鐵路部門審批，利用現狀鐵路預留箱涵(為可通行箱涵)穿越供熱管道。采取供、回水管道分設鋼質外護套管方式，采用D1520×22的螺旋焊縫鋼管作為外護套管，鋼材為L360，管外壁采用3PE加強級外防腐，管內壁采取噴鋅處理，外護套管焊縫接頭處采用輻射交聯聚乙烯熱收縮套防護。設置犧牲陽極的陰極保護措施，以保證外護套管的使用壽命。穿越完成后，采用C30混凝土將外護套管與箱涵間的空隙填滿，徹底封堵箱涵。

③ 穿越河流

主干線與泮河、梳洗河各交叉1處。過河供熱管道采用C30鋼筋混凝土箱涵穿越，箱涵頂位于河道沖刷深度以下2 m。這種穿越河流方式不遮擋河道行洪斷面，對河道泄洪無影響。

泮河河道軟弱，在進行箱涵地基處理時，雖然進行了降水操作，但仍然無法通過常規方式完成混凝土支模澆筑。因此，穿越泮河項目采用拋石擠淤技術進行地基處理，選用直徑均大于300 mm的石頭，從高側坡腳向低側坡腳填筑，當石頭露出河底淤泥后，采用小石塊處理平整，隨后進行基礎處理。

3 保溫管道設計

3.1 工作管

① 鋼材

對于城鎮供熱直埋熱水管道，DN 200 mm及以下常采用無縫鋼管，選用20鋼。DN 250 mm及以上采用螺旋焊縫鋼管，常用的鋼材有Q235B、L290、Q355B。

從化學成分角度分析，Q355B、L290各項指標控制比Q235B更為嚴格。從力學性能角度分析，Q355B在屈服極限、抗拉強度上明顯優于L290、Q235B。從物理特性角度分析，對于城鎮供熱直埋熱水管道(供水溫度不超過150 ℃)，Q355B的受熱伸長量最小，從變形協調角度更適用。

Q235B鋼材：屈服極限235 MPa，許用應力125 MPa，線膨脹系數12.2×10-6K-1。L290鋼材：屈服極限290 MPa，許用應力138 MPa，線膨脹系數11.1×10-6K-1。Q355B：屈服極限355 MPa，許用應力156 MPa，線膨脹系數9.1×10-6K-1。

② 鋼管壁厚

直埋熱水管道的管壁厚度計算、熱伸長量計算及應力驗算應按CJJ/T 81—2013《城鎮供熱直埋熱水管道技術規程》的第5章規定執行。管道的壁厚有多種限制因素：一次應力驗算、安定性分析、局部穩定性驗算、徑向穩定性驗算、整體穩定性驗算，并綜合考慮大管徑管道抵抗局部屈曲、管道腐蝕、磨損。安裝方式選取無補償冷安裝，安裝溫度取10 ℃。

3種鋼材工作管計算壁厚見表1。對于該項目，當工作管采用Q235B時，DN 1 200 mm供、回水管的取用壁厚分別選取16、14 mm，DN 900 mm供、回水管的取用壁厚均選取12 mm。當工作管采用L290時，DN 1 200 mm供、回水管的取用壁厚分別選取14、12 mm，DN 900 mm供、回水管的取用壁厚均選取10 mm。當工作管采用Q355B時，DN 1 200 mm供回水管的取用壁厚分別選取14、12 mm，DN 900 mm供回水管的取用壁厚均選取10 mm。

③ 工作管購置費

根據鋼材價格，設計壓力2.0 MPa條件下，采用Q235B的工作管購置費為5 830×104元。與工作管鋼材采用Q235B相比，當采用L290、Q355B時，由于工作管壁厚減薄，工作管購置費反而出現下降。

綜合考慮技術經濟性后，工作管鋼材選用Q355B。

3.2 外護層、保溫層生產工藝

保溫層(硬質聚氨酯泡沫塑料)厚度按CJJ/T 81—2013《城鎮供熱直埋熱水管道技術規程》第3.2節給出的方法計算(忽略外護層)[1]。除控制保溫層外表面溫度不超過50 ℃外，還根據GB 50264—2013《工業設備及管道絕熱工程設計規范》附錄B的規定，要求最大允許熱損失小于等于104 W/m2。計算時，土壤熱導率取1.5 W/(m·K)，DN 1 200 mm供回水管道水平中心距取1.72 m，DN 900 mm供回水管道水平中心距取1.45 m，管頂覆土深度取1.5 m，聚氨酯保溫材料熱導率取0.033 W/(m·K)。符合設計要求的保溫層厚度見表2。

在保溫層厚度一致的前提下，外護層(高密度聚乙烯)、保溫層的傳統管中管工藝成本、噴涂纏繞工藝成本分別見表3、4。表中的單價指包含外護層、保溫層在內的單位長度造價。

表3 傳統管中管工藝成本

表4 噴涂纏繞工藝成本

由表3、4可知，對于該工程，傳統管中管工藝成本、噴涂纏繞工藝總成本分別為10 094.75×104、8 034.25×104元。與傳統管中管工藝成本相比，噴涂纏繞工藝成本低20.4%。

噴涂纏繞工藝不僅成本低，而且避免了傳統管中管工藝存在的外護管開裂問題，為大管徑直埋供熱管道的安全運行提供了保障[2]。因此，外護層、保溫層的生產采用噴涂纏繞工藝。保溫層、外護層的相關技術指標應符合GB/T 29047—2012《高密度聚乙烯外護管硬質聚氨酯泡沫塑料預制直埋保溫管及管件》、GB/T 34611—2017《硬質聚氨酯噴涂聚乙烯纏繞預制直埋保溫管》。