大管径长输热网特殊节点处理及保温管道设计

崔 燕，王 磊，刘 磊， 聂 克，李明强

(1.泰安市泰山城区热力有限公司，山东 泰安 271000；2.天津市市政工程设计研究总院，天津 300392)

1 概述

泰安市城区外主热源至主城区长输热网项目的主干线长度约17.5 km，其中DN 1 200 mm主干线长度约12.5 km，DN 900 mm主干线长度约5 km。设计压力为2.0 MPa，设计供水温度为120 ℃，设计回水温度为60 ℃。供热管道主要敷设于非机动车道、农田以下，全部采用直埋敷设方式。自2019年3月15日开始方案设计，2019年11月15日全线投入运行。本文结合该项目，对长输热网特殊节点(主要为穿越城市道路、铁路、河流节点)处理及保温管道设计进行探讨。

2 特殊节点处理

① 穿越城市道路

主干线与城市道路交叉6处。在供热管道穿越城市道路时，主要采用人工顶管施工。与机械顶管施工相比，人工顶管施工成本低，能适应大卵石地层，噪声小。施工过程开挖小，对周围造成的影响比较小。

过路供热管道采取供、回水管道分设钢质外护套管方式，DN 1 200 mm管道选用D1820×20钢套管，DN 900 mm管道选用D1520×18钢套管。

② 穿越铁路

DN 900 mm主干线与京沪高铁泰安段交叉1处。经铁路部门审批，利用现状铁路预留箱涵(为可通行箱涵)穿越供热管道。采取供、回水管道分设钢质外护套管方式，采用D1520×22的螺旋焊缝钢管作为外护套管，钢材为L360，管外壁采用3PE加强级外防腐，管内壁采取喷锌处理，外护套管焊缝接头处采用辐射交联聚乙烯热收缩套防护。设置牺牲阳极的阴极保护措施，以保证外护套管的使用寿命。穿越完成后，采用C30混凝土将外护套管与箱涵间的空隙填满，彻底封堵箱涵。

③ 穿越河流

主干线与泮河、梳洗河各交叉1处。过河供热管道采用C30钢筋混凝土箱涵穿越，箱涵顶位于河道冲刷深度以下2 m。这种穿越河流方式不遮挡河道行洪断面，对河道泄洪无影响。

泮河河道软弱，在进行箱涵地基处理时，虽然进行了降水操作，但仍然无法通过常规方式完成混凝土支模浇筑。因此，穿越泮河项目采用抛石挤淤技术进行地基处理，选用直径均大于300 mm的石头，从高侧坡脚向低侧坡脚填筑，当石头露出河底淤泥后，采用小石块处理平整，随后进行基础处理。

3 保温管道设计

3.1 工作管

① 钢材

对于城镇供热直埋热水管道，DN 200 mm及以下常采用无缝钢管，选用20钢。DN 250 mm及以上采用螺旋焊缝钢管，常用的钢材有Q235B、L290、Q355B。

从化学成分角度分析，Q355B、L290各项指标控制比Q235B更为严格。从力学性能角度分析，Q355B在屈服极限、抗拉强度上明显优于L290、Q235B。从物理特性角度分析，对于城镇供热直埋热水管道(供水温度不超过150 ℃)，Q355B的受热伸长量最小，从变形协调角度更适用。

Q235B钢材：屈服极限235 MPa，许用应力125 MPa，线膨胀系数12.2×10-6K-1。L290钢材：屈服极限290 MPa，许用应力138 MPa，线膨胀系数11.1×10-6K-1。Q355B：屈服极限355 MPa，许用应力156 MPa，线膨胀系数9.1×10-6K-1。

② 钢管壁厚

直埋热水管道的管壁厚度计算、热伸长量计算及应力验算应按CJJ/T 81—2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》的第5章规定执行。管道的壁厚有多种限制因素：一次应力验算、安定性分析、局部稳定性验算、径向稳定性验算、整体稳定性验算，并综合考虑大管径管道抵抗局部屈曲、管道腐蚀、磨损。安装方式选取无补偿冷安装，安装温度取10 ℃。

3种钢材工作管计算壁厚见表1。对于该项目，当工作管采用Q235B时，DN 1 200 mm供、回水管的取用壁厚分别选取16、14 mm，DN 900 mm供、回水管的取用壁厚均选取12 mm。当工作管采用L290时，DN 1 200 mm供、回水管的取用壁厚分别选取14、12 mm，DN 900 mm供、回水管的取用壁厚均选取10 mm。当工作管采用Q355B时，DN 1 200 mm供回水管的取用壁厚分别选取14、12 mm，DN 900 mm供回水管的取用壁厚均选取10 mm。

③ 工作管购置费

根据钢材价格，设计压力2.0 MPa条件下，采用Q235B的工作管购置费为5 830×104元。与工作管钢材采用Q235B相比，当采用L290、Q355B时，由于工作管壁厚减薄，工作管购置费反而出现下降。

综合考虑技术经济性后，工作管钢材选用Q355B。

3.2 外护层、保温层生产工艺

保温层(硬质聚氨酯泡沫塑料)厚度按CJJ/T 81—2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》第3.2节给出的方法计算(忽略外护层)[1]。除控制保温层外表面温度不超过50 ℃外，还根据GB 50264—2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》附录B的规定，要求最大允许热损失小于等于104 W/m2。计算时，土壤热导率取1.5 W/(m·K)，DN 1 200 mm供回水管道水平中心距取1.72 m，DN 900 mm供回水管道水平中心距取1.45 m，管顶覆土深度取1.5 m，聚氨酯保温材料热导率取0.033 W/(m·K)。符合设计要求的保温层厚度见表2。

在保温层厚度一致的前提下，外护层(高密度聚乙烯)、保温层的传统管中管工艺成本、喷涂缠绕工艺成本分别见表3、4。表中的单价指包含外护层、保温层在内的单位长度造价。

表3 传统管中管工艺成本

表4 喷涂缠绕工艺成本

由表3、4可知，对于该工程，传统管中管工艺成本、喷涂缠绕工艺总成本分别为10 094.75×104、8 034.25×104元。与传统管中管工艺成本相比，喷涂缠绕工艺成本低20.4%。

喷涂缠绕工艺不仅成本低，而且避免了传统管中管工艺存在的外护管开裂问题，为大管径直埋供热管道的安全运行提供了保障[2]。因此，外护层、保温层的生产采用喷涂缠绕工艺。保温层、外护层的相关技术指标应符合GB/T 29047—2012《高密度聚乙烯外护管硬质聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管及管件》、GB/T 34611—2017《硬质聚氨酯喷涂聚乙烯缠绕预制直埋保温管》。