某供热直埋敷设设计要点分析

郭震环

(太原市热力公司，山西太原 030012)

1 工程概况

本工程为某县集中供热工程主干线一次网直埋设计。设计供水温度120℃，回水温度70℃，设计压力1.6 MPa，起点位于某热电厂。终点确定的管网末端与锅炉房原供热管网对接。

2 现场踏勘和管道的初步敷设方案

2.1 现场踏勘

本工程供热管网距离远，地形复杂，设计前需要做详细的现场踏勘。管道从热电厂引出后，沿道路西侧向南敷设，躲过一个大转盘中央的标志物，然后穿越农田、河流、公路等敷设进入县城。

2.2 管位及敷设方案设计

主管为DN600的预制直埋保温管，管道埋深控制在管中1.5 m，以节约投资并满足规程要求。管线沿途四处地形高差较大，确定采用大角度弯头竖向敷设。在穿越国道处采用拖管方式。穿越河流处采用架空敷设方式。拖管方案由施工单位和设计院共同确定。

2.3 预热

为节约工程成本，主要采用无补偿冷安装敷设。四处地形大高差地段竖向弯头两侧安装一次性补偿器，竖向弯头前后覆土，覆土时留出一次性补偿器位置，打压合格后切断管道再焊接一次性补偿器。系统冷运行完成后，电厂(热源)升温，供水温度升到约58℃，恒温观察一次性补偿器的伸长量，待预留量闭合后再焊死。竖向弯头曲率半径为3DN，以保证强度验算合格和延长使用寿命。采用一次性补偿器覆土预热的预热温度，按下式计算:

根据上式计算得预热温度tdp约为68℃(说明取58℃)。

2.4 分段试压

为保障工程进度，确定采用分段施工及分段试压，设计要求每段都有泄水装置，且保证能够在规范要求的时间内泄完水。一个独立管段上应该是最低处满足试验压力2.4 MPa。分段原则:热水热力网干线应装设分断阀门。输送干线分断阀门的间距为2 000 m～3 000 m，输配干线分断阀门的间距为1 000m～1 500m。

泄水按照管嘴出流方式计算:

其中，A为主管内横截面面积，DN600管为0.297 m2;L为分段长度，取1 000 m;ζ为锐缘进口，取0.5;αB取1;μ为管嘴出流流量系数，取0.82;S为泄水管内截面面积，DN100管为0.007 85 m2; H0为作用水头，m;ε为收缩系数，取1;φ为管嘴出流速度系数，0.82;H1-H2为高度差，为10 m。

根据上式计算得总水量Q总=297 m3，流量Q=0.090 2 m3/s，当只有一个泄水装置泄水时，泄水所需时间T=3 290 s，约为0.914 h，小于规范规定的5 h～7 h，满足要求。

2.5 管道壁厚的计算

由于本工程的重要性及复杂性，为保证采购管道的质量，现提供管道壁厚的计算。管道的理论计算壁厚应按下式计算:

其中，B为管道壁厚附加值，取0.8×10-3m。

管道壁厚附加值:B=χδt。

其中，χ为管道壁厚负偏差系数。

管道取用壁厚应采用不小于计算壁厚的最小公称壁厚。

根据上式计算得DN600管道的理论计算壁厚δt=0.006 4 m，管道的计算壁厚δc=0.007 2 m，管道壁厚取8 mm。

3 水力计算、管网的坐标和里程标注

1 )热负荷计算:根据甲方提供的资料，现有和规划供热面积，据此确定热指标，并计算出热负荷:Q=q×FW(本工程甲方提供详细热负荷调查资料)。2)主干线管径的确定:根据各换热站所带供热面积情况，以及规范推荐的30 Pa/m～70 Pa/m的经济比摩阻确定主干线各管段的管径，并计算各段的阻力损失:G=0.86×kg/h。3)支管管径的确定:支管管径按照并联环路的允许压力降确定，并按照《城镇供热管网设计规范》规定，控制比摩阻的上限为300 Pa/m和流速的上限3.5 m/s。4)计算主干线阻力，估算热源、换热站阻力。5)提出首站循环泵扬程和流量。

4 直管道热力设计

4.1 长直管段的强度条件

本设计循环温差110℃，低于规程弹塑性分析法控制的最大温差，即从直管段考虑，允许进入锚固，无需控制过渡段长度，无补偿冷安装直埋敷设验算通过。

直管道第三强度应力:σj=(1-v)σt-αE(t2-t1)≤3［σ］= 375 MPa。

据上述公式可得DN600管环向应力σt=54.4 MPa，相当应力σj=308.476 MPa，直管道冷安装是安全的。弹塑性分析法计算控制的最大温差为132.5℃，而本工程110℃，也可以说明本工程DN600采用无补偿冷安装是安全的。

4.2 无补偿管段整体稳定性条件

由于管道最小埋深都满足垂直稳定性要求的最小覆土深度，因此整体稳定性验算通过。

管道最大轴向力:Na=［α(t1-t0)-vσt］A×106。

垂直荷载:Q=GW+G2+2Sf。

对于DN600管道，根据以上公式，当管顶覆土为0.34 m时可满足竖向稳定性要求，本设计覆土H≥1.5 m，可满足要求。

4.3 无补偿管段局部稳定性条件

如果管道受压达到某极限值时，也会丧失稳定性。在丧失稳定性时，它仍然具有环形的圆截面，但是破坏了母线的直线性，母线产生了波线，这种现象称为薄壁圆柱壳的轴向屈曲。当薄壁圆柱壳上的轴向应力高于材料的屈服极限，称为塑性屈曲。

局部屈曲验算有下列几种方法:

1 )方法1:根据BSEN 13941:2003可得不发生局部屈曲的最大温升值。当≤28.7时，t1-t2≤130℃，当＞28.7时，t1-t2≤℃。当最大温差满足以上条件时，采用冷安装，否则采用预应力安装或者有补偿安装(解释:预应力和有补偿不是同一个问题)。条件中忽略了内压的影响，内压的存在会减小管道发生局部屈曲的概率。内压有两个作用，一是“气球效应”;二是可以抵消一部分因热膨胀产生的轴向压力(欧洲规范若用于我国，由于双方材料屈服极限较大，经计算得到的壁厚太大，故不采用)。

2 )方法2:JB 4732—1995钢制压力容器—分析设计标准，根据经典的弹性稳定理论，提出直埋管道局部屈曲的许用轴向临界压应力为:σcr=0.062 5·E。其中，σcr为直埋管道局部屈曲的许用轴向临界压应力，MPa;δ为钢管壁厚，mm;R0为钢管外半径，mm。根据CJJ/T 81—98规程规定，当管道的温升高于屈服温差时，高温水直埋管道锚固段的最大轴向温度应力为1.3［σs］，其中系数1.3为屈服极限增强系数。如果σcr≥1.3σs，则管道不会发生局部失稳。σcr=0.062 5E＞1.3［σs］=1.3×235=305.5。所以推出无补偿冷安装时钢管的临界径厚比＜40.1。对常用的设计回水温度小于70℃的回水管道和预热中间温度小于70℃的预应力安装管道，σz=αEΔT=172.87 MPa。由公式σz=σcr得出其临界径厚比为:≤71。方法2存在的缺陷:a.只是考虑局部失稳，公式本身难以判别是否满足弹塑性条件。b.和供水管道的实际安装温差无关，取最大屈服温差显得保守，但不知余量到底有多大。c.预热安装条件没有考虑到预热安装初期管道受力的不均匀性。较高的预热温度也给降温管道较大的拉应力带来危险(预热管道降温拉断)。d.没有考虑压力带来的影响。

3 )方法3:JB 4732—1995钢制压力容器—分析设计标准提出直埋管道局部屈曲的许用轴向临界压应力为:

使得升温压应力不大于局部屈曲的许用轴向临界压应力，可以采用无补偿冷安装，即:αE(T1-T0)-vσt·1≤σcr。

采用预热安装最小壁厚确定［1］。

本工程设计压力Pd=1.6 MPa，安装温度最低-10℃，ΔT= 130℃时管道壁厚参数见表1。

表1 管道壁厚参数表(ΔT=130℃)

ΔT=120℃时管道壁厚参数见表2。

表2 管道壁厚参数表(ΔT=120℃)

ΔT=110℃时管道壁厚参数见表3。

表3 管道壁厚参数表(ΔT=110℃)

综上，取D630×8。

该工程整个冬季在安装。该地区采暖室外计算温度-11℃，空调室外计算温度-14℃，最低日平均温度-16.5℃，采暖期平均温度-2.2℃。

5 直埋供热管道摩擦力计算

单位长度直埋敷设预制保温管的外壳与土壤之间的单位长度摩擦力计算公式:

满足 H=1.5 m时，DN600:Fmax=31 672 N/m，Fmin= 15 836 N/m。

6 弯头设计

按照驻点及锚固点的计算结果，确定了各弯头的臂长，根据弹性抗弯铰原理推导出来的简化疲劳强度验算公式，从而可以进行弯头的应力验算。

7 结语

在实际工程中由于各种原因，设计流程并非完全按照上述过程进行，有些部分可以简化或省略，而有些部分则需要详细设计甚至反复修改设计方案。其中的大部分计算可由供热直埋管道设计计算软件完成，有些参数可直接从相关参考资料中查得，保证在安全基础上和满足规范要求及甲方意见的前提下按期完成设计。

［1］ 王 飞，王国伟，孙 刚，等.直埋管道预热安装的安全性研究［J］.材料科学与工艺，2009，17(2):203-207.