淺談城鎮集中供暖高溫熱水直埋管道工程的設計與施工

王 浩，王浩祥

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

直埋供熱管道的施工方式，主要是將供熱管道敷設于地表以下，既可減少對地面上空間資源的的浪費，也減少了對城市景觀的影響。由于管道埋設于地下，因此在施工過程中會有許多不便，對施工人員技術水平要求也較高，并且后期的維護也會更加煩瑣。為減少工程建設的后期維護工作，對供暖管道工程進行良好設計與施工具有十分重要的意義。

1 直埋供熱管道的應用特點

在目前的市場上，直埋式供熱管道的種類很多，不同的管材在性能上也存在著很大的差異，尤其是采用聚氨酯泡沫預制直埋保溫管。通過對這種管材的廣泛使用，我們可以得到如下結論：它本身不但隔熱能力強，滿足了供熱管線的需要，而且還具有防腐、防水等特點[1]。在實際施工中，由于施工方便，可以有效地減少整個項目的工期，減少施工單位的成本。同時，通過實踐證明，這種管材的使用壽命比常規的管材要長，這種管材不僅具有良好的隔熱效果，而且其導熱率也低于其他管材，而且還具有很好的環境保護作用，更加符合當前的綠色發展思想。

結合輸送介質的技術要求，供熱鋼管可采用有縫鋼管、無縫鋼管、雙面埋弧螺旋焊接鋼管等進行施工。直埋的熱力管道內壓一般比較低，內壓引起的應力不足的狀態下，允許值在50%左右。直接爆破破壞的可能性比較小，最大可能是溫度應力會導致塑性疲勞破壞。因此，在選擇管材的過程中，則需要從抗疲勞性的角度進行分析，所以，要選擇塑性比較好、容易焊接的材質，一般選擇20#鋼為最適宜。軸向溫度應力變化與管壁橫截面積的大小沒有關系，增加壁厚并不能降低管壁內的軸向應力。相反，可能會增加對固定墩的推力以及過渡段的熱伸長量。因此，管壁可盡可能選擇比較合適的規格、厚度材料進行施工。

2 直埋供熱管道的分類

2.1 直管和彎管

直管部分：該直線段還可以稱為過渡段或錨固段（也可以稱為無補償管段、嵌固段）。過渡部分：管道部分的實際活動能力可以更好的解決管道內部的限制反作用力，從而有效的將所有的熱膨脹都給釋放出來。在過渡部分，通常都會有一個自由的末端，可以隨意的伸縮，例如補償器、彎曲件，以及其他的一些材料。過渡段的最長長度取決于土壤的實際摩擦力，也取決于實際的安裝方式，以及周圍的環境。彎曲的部分。L 型管道與溝槽之間的鋪設工作可以采用L 型架空方式，這與自然補償裝置相比有很大相似[2]。至于Z 型管，一般都可以用兩個L型的補償裝置來完成，但必須要考慮到兩個L 型的管子，在合適的情況下，Z 型補償器就可以進行相應的施工。

2.2 有補償管段和無補償管段

由于補償器可以有效地補償在過渡段內的管子所引起的熱膨脹，所以該過渡段也被稱為有補償的管段。而沒有補償的管段，則是因為在錨固段內的熱脹率達到了一定的極限，所以可以通過補償器來補償管道里面的熱膨脹[3]。

3 高溫熱水直埋供熱管道結構的確定

高溫熱水直埋管線是直接埋在地下的，其自身也起到了承載和隔熱的作用。但哈爾濱地區，尤其是沿河一帶，地下水位高，土壤濕度大，對保溫結構有很高的要求，應具有良好的防水、防腐蝕、保溫、耐高溫、具有一定的機械強度和易于施工的特點。所以，對于高溫熱水管道的直埋式保溫管道，應采取復合保溫結構。高溫熱水直埋保溫管道的復合保溫結構包括：高溫熱水、螺旋鋼管、耐高溫防腐層、保溫層和防護層。采用GF 防腐涂層對高溫熱水直埋保溫管道進行了防腐處理，保溫材料為聚氨酯泡沫，保護層為聚乙烯（polyethylene, PE）或纖維增強復合材料（fiber-reinforced polymer, FRP）外套管。高溫熱水直埋管道復合絕熱結構是指利用聚氨酯泡沫材料具有較好的隔熱、防水性能；通常采用3～5mm厚的玻璃鋼或5～10mm 的聚乙烯外套管，FRP 可以通過機械或人工進行，成本低廉，防水效果好，可以加工成任何直徑的管材，并且可以防止在大直徑時出現縱向裂紋。在絕熱接頭處，必須嚴格按照技術規范進行加熱和保溫。

4 直埋管道的設計與施工

4.1 管道布置

直埋的暖氣管道在對河床進行覆蓋的時候，具體的深度要根據水流的實際情況和管道的穩定性來決定。而直埋式供暖管道與裝置的實際水平或垂直中的實際間距必須按照有關的規范要求來確定。直埋供熱管道的布置要符合國家現有標準《城市熱力網設計規范》的相關規定，在管道布置中，保證管道布置的盒里，并對管道敷設的可行性以及安全性等進行評估。熱力網的布置則需要阿紫城市建設規劃的指導下，分析熱負荷的分布、熱源的位置，并從地下管線與構筑物的角度，對直埋管道的布置與規劃進行完善，結合熱負荷的分布、熱源的位置，與地上、地下管線與構筑物之間建立有效的關聯，對直埋管道的布置合理性、科學性提升等方面有促進作用。

4.2 管道敷設

直埋的供暖管道應該采取自然的角度補償，10°～60°的彎頭是不能有效的；管道的斜率不能低于2%，高的位置應該設置閥門，低的位置應該設置排水閥門。管子里面的平面角度要比指定的尺寸小，這種變化對管道的影響是很大的，因為管道的直徑越大，這種彎角就越小。為了確保直埋管在垂直方向上的穩定性，必須要達到相應的設計規范。如果必須減少管道的軸向作用力，則可以采取相應的補償措施或是其他較為有效的辦法。直埋供熱管道的敷設是根據長直管段是否允許出現無補償管道，在直埋管道敷設的過程中，在調整補償裝置間距的基礎上，對管段的應力變化進行控制，提高直埋供熱管道敷設的綜合水平。直埋供熱管道的敷設要盡可能的減少管道軸向力，利用補償器對管道進行預處理，并通過管道敷設與補償裝置處理，提高敷設熱力管道的綜合處理水平。在管道敷設處理的過程中，則需要根據溫度應力變化，對直埋供熱管道的塑性進行檢驗，在直埋供熱管道作用與應力變化分析下，對溫度、壓力的大小等進行評估啊，通過荷載作用分析，提高直埋管道的綜合施工控制水平。在直埋供熱管道的局部結構分析中，課從循環變化以及彎曲應力變化的角度進行分析，在直埋供熱管道的敷設中，課對熱應力變化以及管道敷設等進行優化，提高直埋供熱管道的敷設水平提升。

4.3 直埋供熱管道安裝

由于在初步設計階段，埋地管線的實際斜率必須在2%以上。這種情況下可以對閥門進行正確的安裝，確保安裝排水閥。有些管道需要安裝支管，所以要根據實際情況，在支管上安裝一個固定樁，或者是一個軸向補償器。埋地管線的承重必須要達到最大的承載能力，目前大多數采用的都是鋼鐵閥門，一般都是采用焊接。一般情況下，固定裝置和補償裝置的安裝位置都是在管道內發生了很大的變化，然后在安裝固定支架的時候，在管道的厚度比較大的地方進行安裝。一般的管道，都是用手來進行焊接，需要有經驗的工人來完成。在進行焊接的時候，必須要保證焊接的質量，而且在完成了焊接的時候，還要仔細的檢查一下焊接的質量，然后再進行下一步的工作。

4.4 管道保溫、試運行

在完成相應的小試驗和安裝工作后，還要進行相應的保溫處理。首先，直埋式供暖管道的關鍵在于它的隔熱性能，在相同的管路中，要確保整體的隔熱效果，所選用的保溫材料一定要相同；其次，在安裝之前，清潔完畢后，要對管道進行干燥，確保管道內不會有任何雜質，而且不會有過多的水分。目前，回填區分為人工回填和機械回填兩種，為了節省人力，一般都會采用機械回填。回填管頭的回填量有很高的要求，如果采用機械回填，則會影響回填的力量，因此，對于管頂，應采用人工回填，以取得最佳的回填效果。在回填過程中，會對管線造成一定的壓力，必須確保管線的兩端都要進行充填，這樣就不會出現一方回填給出的壓力，從而造成管線的位置偏差，在實際運行之前，直埋供熱管線必須進行試運行，并對其進行全面的質量檢測。

4.5 砂層回填

在進行回填時，所采用的原材料為砂，在進行回填時，應確保砂的質量、尺寸、干濕度符合有關規定。在進行回填前，要嚴格控制回填過程中所用的泥土，不允許有破碎的混凝土和碎石，同時要做好土壤的密度試驗，不能用凍土、淤泥等。在回填區的施工中，每一次回填結束后，都要進行一次密度試驗，每一次的密度都達到了要求，才能進行下一步的工作。在對中段進行回填時，應確保管線的位置不會出現偏差。在回填完畢后，還要由專業技術人員檢查整個回填層的密度和高度，回填層的厚度不得小于200mm，回填層的密度不得小于95%。

4.6 直埋供熱管道的施工安裝

直埋供熱管道的應力是熱脹變形導致出現應力被破壞，影響直埋供熱管道的安裝與應用水平。因此，選擇不同的安裝方式，可以改變熱脹變形的大小以及變形釋放程度，并改變直埋供熱管道的應力水平。熱脹變形的大小以及零應力狀態，與直埋供熱管道的溫度變化有直接的關系，在這一過程中，零應力狀態溫度的提高，可以相對降低直埋供熱管道的熱脹變形尺寸。結合直埋供熱管道的溫度變化，可以從冷安裝以及有補償安裝的方式進行處理，在實際安裝的過程中，冷安裝是零應力狀態下，直埋供熱管道的溫度與環境溫度保持相對一致，預應力安裝則是在零應力的狀態下，根據直埋供熱管道的熱脹變形狀態，對補償裝置之間的關系以及滑動狀態等進行檢驗與分析，在利用補償裝置的基礎上，分析直埋供熱管道的熱脹變形狀態，利用預制保溫管直埋敷設的方式，提高直埋供熱管道敷設的安全性。在對直埋供熱管道敷設設計與安裝等進行優化中，則需要對直埋供熱管道的應力集中變化以及固定增效變化等進行檢驗與分析，通過補償裝置的應用，對直埋供熱管道的敷設安裝過程進行優化，提高直埋供熱管道敷設安裝水平。

5 直埋供熱管道防破壞的有效手段

5.1 循環塑性破壞

管道溫度在管道工作循環中，最高溫度與最低溫度發生變化中，所產生的應力變化是循環塑性破壞的關鍵因素。錨固狀態以及滑動狀態的管道，應力變化與安裝環境溫度之間沒有明顯關系，預應力安裝的過程中，則需要解決循環塑性唄破壞的問題。錨固狀態的直管段無法滿足循環塑性破壞安定性條件中，錨固狀態的管道可以通過無補償安裝的方式進行施工。在直管段設置補償裝置，則需要通過對補償裝置的間距進行調整，控制直埋供熱管道的應力變化，對提高直埋供熱管道的補償安裝控制水平有促進作用。

5.2 防止疲勞被破壞

疲勞破壞是管道的局部位置，由于應力集中導致局部循環塑性變形，影響直埋供熱管道的實際應用效果。直埋供熱管道的彎頭、折角、變徑以及三通等管件會產生應力集中的情況，從溫度以及壓力變化的角度進行分析，應力集中會導致峰值應力出現變化，在局部范圍內會產生循環塑性變形的情況，導致疲勞破壞。直埋供熱管道出現疲勞破壞與應力變化有直接關系，峰值應力變化范圍越大，疲勞破壞的時間也會越短，這會出現局部開裂、漏水等問題，對疲勞強度控制以及直埋供熱管道的運行狀況等會產生直接的影響。疲勞破壞問題，可通過固定墩加固以及補償器補償的方式進行防治，提高直埋供熱管道的安裝與應用效果。

5.3 失穩破壞問題分析

直埋供熱管道的設計中，在遵循循環塑性破壞原則下，還需要對穩定性問題進行分析，并從管道溫度的角度，對管道溫度變化以及失穩狀態等進行分析。在冷安裝的條件下，錨固的直管段滿足穩定條件下，可利用無補償冷安裝的方式進行安裝。供水溫度在130℃以下，管徑不大于DN500 的熱網，通過無補償冷安裝的方式進行施工。直埋供熱管道埋深1m 以下，保證直埋供熱管道的穩定性。從三通、彎頭、折角、大小頭、閥門等角度進行分析中，則可通過補償裝置的應用，解決直埋供熱管道的穩定性問題，與此同時，通過增加覆土深度的方式，提高直埋供熱管道敷設的穩定性。

6 結語

直埋供熱管線的施工工序較多，其施工工藝及安裝工序較為煩瑣，且安裝后的探傷檢測要求較高。在施工過程中，施工人員要熟悉施工過程中的重點和難點，熟悉每一步的安裝過程，只有這樣才能在不斷的工作中總結經驗彌補不足。另外，施工人員也要在施工中不斷借鑒最新科技，合理應用新技術，減少施工難度，提高整個工程質量。