供热直埋管道覆土预热安装的研究

史旭东

山西省城乡规划设计研究院

供热直埋管道覆土预热安装的研究

史旭东

山西省城乡规划设计研究院

根据《城镇供热直埋热水管道技术规程》（CJJ/T81-2013）一次性补偿器覆土预热的理论，对工程实例中DN1200预制直埋保温管一次性补偿器间距、预热温度和预热管段伸长量进行研究，其理论对工程实际有很大的指导意义。减小一次性补偿器间距和选择较低的预热温度，在保证管道升温不屈曲的基础上也保证了管道降温的安全性。

供热管道 一次性补偿器 覆土预热 预热温度

0 引言

在冷安装技术处理难度大的工程中应优先采用预热安装。如地形复杂、分支多、平面折弯多、高程起伏大、地下障碍多、地质条件不好等条件下，采用冷安装施工质量难以保证、安全隐患多，此时应优先考虑预热安装。在无补偿冷安装管道固定墩推力大到难以实施时，或在安定性条件满足的情况下，管道局部屈曲应力验算通不过，或无补偿冷时安装会发生整体失稳，预热安装也是一种解决方案[1]。

设置一次性补偿器的覆土预热：在管道的直线部分，按一定间距安装一次性补偿器。补偿器间距的大小以保证直管段热膨胀量能够释放给一次性补偿器为出发点。除一次性补偿器外，其余沟槽立即回填，再进行预热升温。升温达到或超过预热温度，逐个观测一次性补偿器，哪个补偿器热膨胀量达到计算值，就将那个补偿器焊死，直到全部焊死为止[1～3]。

合理布置一次性补偿器间距是个经济技术问题，一次性补偿器间距越大，补偿器数量越少，施工越简单，经济性越好，但由于补偿器间距大，管道受覆土摩擦力的阻碍，其热伸长越不容易膨胀，且一次性补偿器降温拉应力越大，存在降温拉断的可能，故合理布置补偿器间距和控制管道热伸长量是一次性补偿器覆土预热成败的关键[1]。下面分析《城镇供热直埋热水管道技术规程》CJJ/T81-2013（以下简称“新规程”）[4]中一次性补偿器间距和热伸长量的确定。

1 “新规程”

一次性大小补偿器间距与管道所允许的轴向力有关，允许轴向力由管道局部屈曲极限状态决定。一次性补偿器布置图见图1。

图1 一次性补偿器布置图

图1中：（1）为一次性补偿器处允许拉应力σt-all；（2）为驻点处允许压应力σc-all；（3）为冷态下一次性补偿器预留长度；（4）为驻点；（5）为最小循环温度T2下管道轴向力曲线；（6）为设计温度T1下管道轴向力曲线；（7）为循环温差T1-T2下轴向力变化范围；（8）为驻点处在预应力温度（一次性补偿器闭合温度Tdp）下轴向应力；（9）为一次性补偿器处设计温度T1下轴向应力；（10）为一次性补偿器之间允许的距离；（11）为一次性补偿器与驻点允许的距离；（12）为一次性补偿器处管道一侧的位移量。

“新规程”规定：预热管段的计算安装温度不宜高于管道工作循环平均温度，根据冷态拉应力和热态压应力相等的原理，可得直埋管道的平均应力温度为[6]：

式中：tms为直埋管道的平均应力温度，℃；T1为管道工作循环最高温度，℃；T2为管道工作循环最低温度，℃；泊松系数；σt,1为管道最大工作压力引起的环向应力，MPa；σt,2为管道冷运行压力引起的环向应力，运行压力应达到工作压力，MPa；α为钢材的线性膨胀系数，m/(m·℃)；E为直埋保温管钢管的弹性模量，MPa。

对一次性补偿器的间距给出明确的规定，一般是按照预热温度对应的最小过渡段长度来确定一次性补偿器到固定墩或者驻点的距离，其计算公式为：

式中：Lall为一次性补偿器距驻点允许距离，m；σt为供热管道预热时的环向应力，MPa；T0为管道预热安装时的环境温度，℃；A为钢管的截面积，m2；F为保温管道单长摩擦力，N/m。

覆土预热温度[7]：

一次性补偿器一侧最大位移量u计算公式为：

式中：u为一次性补偿器一侧最大位移量，m。

一次性补偿器两侧最大位移量2u。

热伸长计算公式为：

2 案例分析

某市集中供热一次管网的冷运压力为2.0MPa，工作压力为1.6MPa，钢管规格为DN1200（外径为1.22m，壁厚为14mm），设计供回水温度为130/70℃，采用电预热安装过程中室外大气温度为17℃，最低循环温度为10℃，α=12.6×10-6m/(m·℃)，E=19.6×104MPa，F=34352N/m，管顶平均覆土1.0m。

由式（1）可得到其预热计算安装温度tms=60.69℃。

由式（1）和式（2）可得一次性补偿器距驻点允许距离Lall=166.60m。

由式（3）可得一次性补偿器焊接温度（闭合温度）Tdp=82.54℃。

由式（4）可得一次性补偿器一侧最大位移量u= 0.0917m=91.7mm。

预热段管线长度为510m，两端为自由端，中间两处为一次性补偿器，见图2。除自由端和一次性补偿器处，其余全部回填至管顶1.0m。

图2 预热管段布置图

根据以上计算，为保证管道预热管道冷运时一次性补偿器不被拉断，最终确定预热温度为55℃，为了减小预热的最终温度，补偿器与自由端以及补偿器之间间距远小于理论间距。

由式（4）可得此预热管段总的伸长量u总= 0.244m=244mm。

由式（5）可得Tdp=66.18℃。

预热记录参数见表1。

表1 预热管段预热温度（℃）和伸长量（mm）记录

从表1可得达到预热理论伸长量244mm，供回水管道预热温度为62℃，而理论计算预热温度为66.18℃，其值比较接近；从表1中也可以看出升温初期管道热伸长滞后，主要是因为初期管道轴向力小，土壤摩擦力阻碍管道的伸长，随着温度的升高，管道轴向力增加，其过渡段长度增加，整个预热管段已经全部处于过渡段中，故伸长量的增量不受摩擦力的影响；预热后期随着温度的升高，热伸长基本没有变化，主要原因是管槽开始回填，管道的摩擦力增加，升温增加的轴向力不能克服增加的摩擦力，故热伸长没有变化。

3 结论

1）供热管道一次性补偿器覆土预热中，在确定一次性补偿器间距和预热温度时都考虑了一次性补偿器处降温拉应力和驻点处升温压应力过大的问题。

2）“新规程”的思想是在预热温度既要满足管道不屈曲，又要降低降温拉应力造成管道或者补偿器被拉断的危险[7～8]。与原来采用循环中温作为预热温度，安全性更高了。

3）在布置一次性补偿器间距时，适当减小一次性补偿器间距，可以有效地降低最终预热温度。

4）随着预热温度的升高，预热管段过渡段长度增加，锚固段减小，当温度升高到一定温度时，整个预热段都变为过渡段。

5）理论计算预热温度是按照最大摩擦系数计算的，而实际预热温度值小于理论计算值，原因有以下几点：摩擦系数值达不到最大摩擦系数值；覆土深度与设计值有偏差；回填土的压缩系数与施工要求有偏差等。

[1]王飞,张建伟,王国伟.直埋供热管道工程设计(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2014

[2]王玉峰.城市供热管道一次性补偿预热施工方法[J].青岛理工大学学报,2006,27(6):121-124

[3]Design and Installation of Preinsulated Bonded Pipe System for District Heating(BS EN13941)[S].London:Standards Policy and Strategy Committee,2009

[4]城镇供热直埋热水管道技术规程(CJJ/T 81-2013)[S].北京:中国建筑工业出版社,2013

[5]兰德劳皮夫.区域供热手册[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,1998

[6]王飞,王国伟,邹平华.基力的直埋于平均应供热管道预热温度的研究[J].哈尔滨工业大学学报,2010,42(12):1985-1989

[7]王飞,王国伟,孙刚.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

[8]郭小辉,韩国明,赵健.供热管道一次性补偿器断裂原因分析[J].压力容器,2006,23(10):27-30

Re s e a rc h of Dire c tly Burie d He a ting Pipe of Ove rburde n Pre he a ting Ins ta lla tion

SHI Xu-dong
Shanxi Academy of Urban＆Rural Planning and Design

Based on the theory of technical spceification for Directly Buried Hot-water Heating Pipeline in City (CJJ/T81-2013)in one-off compensator of overburden preheating,the paper gives a study of the compensator spacing, preheating temperature and elongation of preheating pipes to DN1200 prefabricated directly buried insulating pipe used in engineering projects.The theoretical calculation value is of great significance for practical engineering.Reducing compensator spacing and choosing the lower preheating temperature,will ensure the safety of the pipeline while cooled, on the basis of ensuring the pipeline does not buckle while heated.

heating pipeline,one-off compensator,overburden preheating,preheating temperature

1003-0344（2015）05-067-3

2014-7-18

史旭东（1972～），男，大学，高工；山西省太原市新建南路9号（030001）；E-mail:77252084@qq.com