热水直埋管道设计要点

孙 韬

当前，随着我国经济的高速发展，人们生活水平的逐步提高，对居住环境舒适性的要求也越来越高，集中供热又是其中不可或缺的一项重要内容。我国的集中供热正处于由大中城市到小城市、经济发达的小城镇的普及过程当中，在此过程当中，集中供热管道的设计就显得尤为重要，在供热管道的敷设方式当中，直埋敷设又有着举足轻重的地位。

在供热管道直埋敷设设计当中，又主要分为蒸汽管道直埋和热水管道直埋，热水管道敷设方式又可分为直埋敷设、地上敷设和管沟敷设;蒸汽直埋管道的布置主要遵循CJJ 34-2002城市热力网设计规范(以下简称《规范》)，蒸汽直埋管道的设计、施工、验收及运行管理均应满足CJJ 104-2005城镇供热直埋蒸汽管道技术规程的要求。地上敷设和管沟敷设热力网管道的许用应力取值、管壁厚度计算、补偿值计算及应力验算应按DL/T 5366-2006火力发电厂汽水管道应力计算技术规程的规定执行。

鉴于我国大部分地区城市供热以热水为主，本文仅就热水直埋管道的设计要点做基本的阐述。

1 管道布置

1.1 热水直埋管道的布置原则

1)城市道路上的热力网管道应平行于道路中心线，并宜敷设在车行道以外的地方，同一条管道应只沿街道的一侧敷设;2)穿过厂区的城市热力网管道应敷设在易于检修和维护的位置;3)通过非建筑区的热力网管道应沿公路敷设;4)热力网管道选线时宜避开土质松软地区、地震断裂带、滑坡危险地带以及高地下水位区等不利地段。

1.2 热水直埋管道管网布置形式

1)枝状管网。从热源引主干线沿城市道路向各热用户供热，枝状管网在我国城市供热中被普遍采用，它形式简单、投资费用低、运行管理方便，但它安全性较差，当管网中距离较近的主干线发生故障时，会影响较多的热用户用热。

2)环状管网。环状管网是指供热管网的主干线之间在适当的位置连通构成环状。环状管网运行较安全可靠，局部发生故障，可通过环网供热，但它的投资费用较高。《规范》规定:供热面积大于1 000万m2的热网干线宜连接成环状管网。

2 补偿方式的选择

2.1 无补偿直埋敷设

在无补偿直埋管道中，管道的固定是基于土壤与保温管外护层的摩擦力来完成的，在供热管道中，产生轴向位移的部分是过渡段，过渡段的位移吸收主要靠弯头的变形来完成。在无补偿直埋设计中，弯头宜采用大倍率半径弯头，主输送干线宜采用不小于2.5D半径的弯头，支线宜采用不小于2D半径的弯头，无补偿直埋敷设在供水温度不大于95℃的系统中应用最为广泛。

2.2 有补偿直埋敷设

在供热介质为高温水(≥120℃)时，在不预热的情况下，管道难以靠自身形成平衡状态，此时，在管线上设置固定墩和补偿器是必要的。在此过程中，应按照《规程》的要求进行摩擦力、壁厚、直管段摩擦力和热伸长量的计算，以便进一步给土建专业提供设计资料和设备选型。

2.3 一次性补偿直埋敷设

一次性补偿指的是直埋管道在安装时进行一定程度的预热，使管道有一定程度的膨胀，补偿器在预热状态下进行焊接安装，一次性补偿可减小工作状态下的热应力。相对于前两种补偿方式，一次性补偿方式应用范围较小。

在供热系统中采取何种补偿方式，虽有多种选项，但根据我国供热管道技术发展的现状，无补偿安装减少了固定墩和补偿器的数量，减少了工程造价和后期维护工作量，虽在较高应力水平下运行，但不论是在理论计算上还是工程建设实例上，无补偿直埋敷设都被证明是安全、可靠的，是符合我国国情发展现状的。因此在设计中应遵循尽量避免整个管道中的有补偿安装，而只在局部薄弱部件处进行补偿保护的原则。

3 保温层的选择计算

根据《规范》要求，直埋敷设热水管道应采用钢管、保温层、外护管紧密结合成一体的预制管。国内的直埋预制管主要有两种，分别符合CJ/T 114高密度聚乙烯外护管聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管和CJ/T 129玻璃纤维增强塑料外护层聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管的规定。

直埋管道的保温层经济厚度计算按下式计算:

其中，D为保温层外径，m;d为保温层内径，m;t为介质温度，℃;t1为距地面 H处土壤温度，℃;λ为保温层热导率，W/(m◦K);α为保温层外表向土壤的表面传热系数，W/(m2◦K);b为现行热价，元/(W◦h);τ为年运行时间，h;p为保温材料单位造价，元/m3;s为保温工程投资年分摊率。

保温层设计计算时应优先采用经济保温厚度，经济保温厚度计算完毕后，因国内的外护管为定型产品，所以还应根据保护层的特点选取合适外护管管径，当经济保温厚度不能满足技术要求时，应按技术条件确定保温层厚度。

4 受力计算及应力验算

直埋供热管道受力计算及应力验算的主要任务是计算管道内压、外部荷载和热胀冷缩引起的力、力矩和应力，从而确定管道的结构尺寸，采取适当的措施，保证管道的安全可靠和经济合理。国内直埋管道的受力分析主要采用从国外引进的应力分析法。应力分析法认为根据不同的应力作用形式，管道会发生不同形式的破坏，应采用不同的应力验算方法。

在供热管道设计工作中，应进行管道钢材的基本许用应力、壁厚、轴向力、热伸长量的计算，还应进行转角管段的应力验算、管道的竖向稳定性验算。针对上述计算和验算，《规程》中有详细的计算公式和校验公式，可作为计算和验算的主要依据。在大口径热力管道(≥DN500)设计中，考虑到管道受到的静荷载和活荷载可能对管道的径向变形有较大影响，还应进行管道的径向变形计算，计算均应按无内压状态进行，其径向变形量不得大于直径的3%，其计算可参照GB 50253输油管道工程设计规范中给定的公式进行。

5 结语

在整个热力管网的设计中，以上几点仅是需设计人员特别注意的几个方面，还有如热负荷计算、水力计算、管道附件的选择等大量繁琐的工作要做。在实际设计工作中，可借助辅助软件进行计算、验算;在不具备辅助软件的条件下，也可根据《规程》提供的计算方法编制Excel表格自行计算，都能取得较好的计算结果。

前面对供热直埋管道设计过程中的关键点进行了粗浅的分析，提出相应的理论基础和解决思路，相信对相关设计人员的工作能有所裨益。

[1] 贺 平，孙 刚.供热工程[Z].1993.

[2] CJJ 34-2002，城市热力网设计规范[S].

[3] CJJ/T 81-98，城镇直埋供热管道工程技术规程[S].

[4] 动力管道设计手册[M].北京:机械工业出版社，2006.