大管徑長輸熱網特殊節點處理及保溫管道設計

閆雪嬌

摘 要：以某長輸供熱管網工程為主要研究對象，分析長輸熱網特殊節點處理和保溫管道設計，管道特殊節點主要包括河流節點、穿越城市道路、鐵路等環境；而保溫管道設計主要有外保護層、保溫層制造工藝選擇、壁厚選型、工作管鋼材選型等環節組成。基于此，合理控制管道材料、鋼管壁厚、應力計算等，增加管道的保溫性能。試驗表明：當管道材料高于DN250、敷設方式選擇直埋方式時，能有效控制鋼板滑動支架和閥門表面溫度，延長管道使用年限。

關鍵詞：長輸熱網；穿越；工作管；外護層；保溫結構

中圖分類號：TQ341

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2023）07-0194-03

Treatment of special nodes of large diameter and long heat transmission network and design of thermal insulation pipeline

YAN Xuejiao

（Beijing Changhua Survey and Design Co.，Ltd.，Beijing 100043，China

）

Abstract：Taking? a long-distance district heating pipeline project as an example，the special node treatment and insulation pipe design of long distance heating net work was analyzed.Special pipeline nodes mainly include river nodes，roads crossing cities，railways，etc.The design of thermal insulation pipeline mainly includes the selection of outer protective layer，manufacturing process of thermal insulation layer，selection of wall thickness，selection of working pipe steel and so on.To achieve this，the study emphasizes the need to properly control the pipeline material，the thickness of the steel pipe，and stress calculations to enhance the insulation performance of the pipeline. Results showed that when the pipeline material was higher than DN250，and the direct burial method was selected as the laying method，it could effectively control the surface temperature of the steel plate sliding support and valves，thus extending the lifespan of the pipeline.

Key words：long-distance heat transmission network;crossing;working pipe;outer sheath;thermal insulation structure

目前，北京市城區外主熱源到主城區長輸熱網項目之間的總長度為17.5 km，其中DN900主干線長度為5 km，DN1200主干線長度為12.5 km，回水溫度60 ℃、供水溫度、設計壓力2.0 MPa。針對該種情況，工作人員將供熱管道鋪設置非機動車道下面，通過直埋鋪設方式進行鋪設，該項目從2018年3月正式開始設計，一直到同年的11月份全面投入運行。本文根據項目基本情況，全面分析長輸熱網特殊節點處理方式，加強保溫管道設計工作［1］。

1 特殊節點處理

1.1 穿越城市道路

主干線與城區道路連接處6處。供熱管道穿越城市道路時，主要采用人工頂管方式施工，其人工頂管施工成本較機械頂管成本低，可應用于大卵石地面，優點是噪音小，施工方便。此外，工作人員在過路供熱管道中采用供、回水管道，并利用鋼質外護套管方式進行全面保護，DN900管道應用D1520×18鋼套管；DN1200管道采用D1820×20鋼套管［2］。

1.2 穿越鐵路

在穿越鐵路施工過程中，要提前上報到政府部門進行審批，等到審批合格后才能正式進行施工操作。利用現有鐵路預留箱函穿越供熱管線，再用D1520×22螺旋焊縫鋼管作為外護套，分設鋼質外護套，供、回水管線；鋼材使用的是L360；采用3PE加強級外防腐的管道外壁；采用噴鋅工藝處理管內壁；輻射交聯聚乙烯熱收縮套，用于外護套焊縫接頭處的防護。同時，要建立犧牲陽極的陰極保護措施，保證外護套的使用壽命，再用C30混凝土將箱涵與外護套之間的空隙填滿，當所有的穿越過程全部完成時，就完成了對箱涵的封堵［3］。

1.3 穿越河流

穿河供暖管道是利用C30鋼筋水泥箱涵進行穿越作業，在河道沖刷深度下2 m處設置箱涵。這樣的渡江方式，對河道不會造成任何遮擋，對河道行洪也沒有任何作用。由于河道松軟，在進行箱涵基礎處理時，混凝土支模澆筑工作仍無法通過常規的方式實現，盡管已經采取了降水措施。因此，在過江工程中，可采用拋石擠淤處理地基的技術，選取直徑300 mm以上的石塊，從高邊坡腳填入低邊坡腳，待石塊露出江底淤泥后，再用小石塊平整后，再進行地基處理［4］。

2 大管徑長輸熱網保溫管道的安全狀態

2.1 應力驗算

（1）一次應力是指管道在內壓作用下產生應力和外在持續力，工作人員最常用彈性分析和極限分析進行應力分析。同時，在計算應力驗時，要確保應力當量應力低于鋼基本應力。（2）二次應力是指管道受抑制而產生的應力，其中熱脹冷縮應力最為常見，是具有變形自限性特征，工作人員要利用安定性計算對應力。而安定性表示結構在未產生任何塑性變形時，管材自身殘留應力狀態下，經有限塑性變形后，仍可在彈性狀態下穩定下來。但在計算應力性考試時，工作人員要先計算溫度基本許用應力，其一次應力和二次應力數量和低于鋼材3倍。（3）尖頂應力是指因局部結構出現不連續熱應力作用，無形中增加管道上所產生的應力數量。其特點是不會造成明顯的變形，必須根據管道的整個使用期限所受的循環荷載進行疲勞性分析，這是一種可能導致疲勞裂紋或脆性破壞的原因。但是，對于低循環次數的供暖管道，可以使用簡化公式，計入應力加強系數進行應力驗算，例如在管道上出現峰值應力的三通、彎頭等局部應力集中的地方。應力性考試的計算標準是：計算溫度下鋼材基本許用應力不應大于一次應力、二次應力和峰值應力的當量應力的3倍。因此，新規程增加了對管徑大于500 mm管材進行局部穩定性驗算和徑向穩定性驗算的規定。通過規程規定的驗算方式，只會出現上述幾種破壞形式，待條件具備后，管材才會處于安全狀態。

2.1.1 穩定性驗算

由于受到管壁受力狀態影響，其從原本壓應力平衡向受彎曲應力平衡方向發展，這種全新的平衡方式在外壓作用下，往往管道的強度足夠，但突然失去了原來的形狀這就叫不穩定，甚至不穩定失效。當埋設管道的介質溫度升高，管道中就產生了軸向壓力，管道就有傾向于凸出，使管道向軸的法線彎曲，這種傾向就叫做管道的整體不穩定。埋地管道正常情況下在地下保持穩定，是因為管道周圍有土壤的約束。受壓管道在橫向約束最弱的區域內失去穩定性，當周圍土壤約束力較小或因周圍開挖而減小時。豎向不穩定和設計不規范具有直接聯系，工作人員要在豎向穩定性驗算公式中進行計算，并給出準確要求。

2.2 保溫管道設計

2.2.1 工作管

鋼材。針對城市供熱直埋熱水管道設計過程中，要利用DN250以上使用螺旋焊縫鋼管，常用鋼材有L290、Q235B、Q335N；而面對DN200及以下則采用無縫鋼管，選擇20鋼。從化學成分角度分析，L290和Q335B的各項指標控制要比Q235B指標更加嚴格；站在力學角度進行分析，Q355B和Q235B相比，前者抗拉強度、屈服極限更高；從物理特征角度而言，對城市供熱直埋熱水管道，Q355B受熱伸長量較低，更能滿足物體變形協調要求［6］。因此，工作人員在應用Q235B鋼材時，要將其應力控制在125 MPa，極限屈服為235 MPa，線膨脹系數12.2×10-6 K-1；L290鋼材許用應力138 MPa，線膨脹系數為11.1×10-6 K-1，屈服強度290 MPa［5］。

2.2.2 鋼管壁厚

直埋熱水管道的熱伸長量、管壁厚度計算及盈利驗算根據《城市供熱直埋熱水管道技術規范》來實施。正常情況下，管道壁厚限制因素有很多，如安定性、應力驗算、局部穩定性驗算、整體穩定性驗算等，并考慮到大管徑管道抵抗局部屈曲、管道磨損、腐蝕等，安裝方式則利用無補償安裝，安裝溫度選擇10 ℃［6］。3種鋼材工作管計算壁厚如表1所示。

對于該項目，當工作管使用類型為Q235B時，DN1200供、回水管的取用壁厚分別是14和16 mm；當DN900供、回水管時，取用壁厚全部選擇12 mm。當工作管使用L290時，DN900供、回水管的取用壁厚取10 mm，當其是DN1200時，供、回水管的取用壁厚是12和14 mm。當工作管利用Q355B時，DN900供回水管取用壁厚是10 mm；當DN1200時，壁厚分別是12、14 mm［7-9］。

2.2.3 工作管購置費

在設計壓力2.0 MPa條件下，可將Q235B的工作管購置費定在5 830×104元。而當使用Q355B、L290時，由于工作管壁厚度逐漸降低，工作管購置費不升反而有所降低。通過綜合考慮各方面因素后，選用Q355B工作管鋼材最為劃算［7］。

2.3 外護層、保溫層生產工藝

保溫層厚度根據《城鎮供熱直埋熱水管道技術制度》所提供的方法來計算。除控制保溫層外表面溫度不應高于50 ℃后，還要按照《工業設備及管道絕熱工程設計規范》來實施，將最大允許熱損失小于104 W/m2［8］。在計算過程中，DN值為1 200 mm供回水管道水平中心距離1.72 m，土壤熱導率在1.5 W，DN900供回水管道水平中心距離區1.45 m，聚氨酯保溫材料熱導率0.033 W/（m·K），管頂覆土深度在1.5 m（如表2所示）。

在保溫層厚度一致的情況下，表3、表4為外護層和保溫層的傳統管材工本費和噴涂纏繞工本費；單價指單位長度費用，包括外護層和保溫層。

3 敷設安裝方式

目前國內直埋熱水管道采用的是明溝對于直埋式熱水管道，以管網設備少、建設周期短、成本低、運行成本低等優點，首選無補償的冷安裝方式。但由于該項目受道路曲折及兩側管線所限，且直管最長段不到400 m，直埋式熱水管道在下穿路口等地下管線復雜地段時，必須下翻下穿，高差達到7 m，采用無補償冷安裝的方式無法更好地進行。所以這個項目采取的是固定墩+補償器的組合。雖然該項目采用的是固定墩與補償器相結合的方式。但利用套筒補償器、球形補償器和直埋管錨固段合理布局，減少固定墩和補償器，固定墩最大距離達到870 m，并不是很多設計單位采用管網每隔120 m左右設置一個固定墩和補償器的方式。補償器、固定支座數量大幅減少，建設期縮短，工程成本降低［10-11］。

4 結語

本文通過對北京市城區外主熱源到主城區長輸熱網項目進行分析，來發現長輸熱保溫管道設計和特殊節點處理的工藝，從而給建設具體項目提供豐富的數據資源，確保工程項目的可持續發展。

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