供热管道直埋敷设技术的探讨

孙婧

（太原市热力集团有限责任公司城西供热分公司，山西太原 030000）

0 前言

相较于传统的管沟敷设方式，利用直埋敷设技术进行室外供热管道建设，不仅能够提高施工的便捷性、节约施工投资，为管道维护工作降低难度，通过聚氨酯硬质泡沫塑料发泡和高密度聚乙烯外保护层降低地沟敷设的热损失，解决地沟敷设管道因保温层开裂损坏或地沟泡水等因素而导致在长期运行中热损失不断提高的问题。由此可见，供热管道直埋敷设技术是一种更加适用于供热系统建设的施工技术，具有普遍应用的价值。

1 供热管道直埋敷设技术的方法

根据设计原理分类，直埋供热管网管道应力分析可分为弹性分析法与安定性分析法两种。为了使直埋管网管道与管件能一直处于安全状态，其强度与稳定条件就必须得到保障，对管道所受的温度和压力进行分析，铺设时综合考虑管径和管网走向，通过针对性的技术措施优化其强度与稳定条件。

1.1 无补偿冷安装直埋敷设

在无补偿直埋敷设中，是通过应力分类法对管道的强度进行验算。不同特征的荷载对管道产生的应力状态和对管道破坏的影响不同进行应力分类，针对不同应力应采取不同的措施进行强度条件控制。安定性分析法能对温度应力进行理论控制，只要管段的强度条件符合应力分析条件，可实现在无补偿器状态下直管段温度应力的控制，其设计结果为不设或少设补偿器和固定支架[1]。

1.2 有偿冷安装直埋敷设

在有补偿直埋敷设中，所有荷载产生的应力均是由弹性分析理论或极限分析理论进行强度控制，对应力不进行分类，而是相互叠加所有荷载产生的应力，但只进行综合应力对管道系统影响的计算[2]。弹性分析理论对载荷引起的应力和应变保证在弹性范围内，并给予足够的安全富裕量作为限定值，确保管道任一截面总应力皆小于材料本身的许用应力。有偿直埋敷设通过补偿器吸收热移位实现直管段温度应力的下降，其设计结果为固定支架和补偿器的数量较多。

2 管道布置及存在的问题

2.1 管道布置

2.1.1 有补偿直埋管道的布置形式

有补偿直埋管道布置形式能够有效的避免管道失稳问题，利用补偿器的方式来吸收管道受热产生的热位移从而降低直管段的温度应力。此敷设方式不会造成过高的热量损失，使管材具有更高的使用寿命，更有利于管道的维护维修工作。但是，有补偿直埋管道敷设这种方式会使管道与土壤间存在较大的摩擦应力，且管道布置时补偿器及支座会占据很大空间，使布置空间的结构较为复杂，会增加整个供热管网项目的初投资，管网的运行维修成本也会相应增加。有偿直埋管道敷设中通过对管道进行细致严谨的应力计算，充分利用转弯处进行自燃补偿。根据《城镇供热直埋管道技术规程（CJJT 81—2013）》表4.1.3 的要求，供热管道的最小覆土深度应满足上述规定。根据现场实际情况若覆土深度不能满足时，过街段、过河段可采取保护加固措施例如在过河过街薄弱段设置套管或管沟、在管道的上方可铺设混凝土板等。

2.1.2 无补偿直埋管道的布置形式

无补偿直埋管道布置形式应根据管道环境情况进行综合考虑，根据安装方式分为自燃补偿、一次性补偿安装、预热安装、冷安装。供热管道的热伸长受阻所形成的温度应力符合安定性分析的强度条件，基于对管道强度的衡量，可在长距离直管段上不进行补偿器设置。自燃补偿是通过管道的“L 型”“Z 型”的自然弯曲形状所具有的柔性吸收管道的热伸长量。一次性补偿器内的伸缩元件只能使用一次，一次性补偿器内的压缩量与管道的热伸长量相等。一般此方法适用于无法敞口对管道进行预热的情况下。无补偿预热安装是对管道进行提前加热，当管道温度达到设定温度时，会产生热伸长，此时对管道进行焊接或回填。该安装方式过程中焊接不是在常温下进行，对施工质量的要求很高。无补偿冷安装直埋敷设是指供热管道的焊接以及沟槽回填等整个过程是在自然环境温度下进行，此时管道无热应力，通常不需要在直管道上设置补偿器和固定墩等。待整个管道开始运行后，管道所受的热应力逐渐增大，应力计算过程很复杂，但应力变化始终在允许的范围内，充分发挥管道自身的承载能力[3]。

2.2 管道敷设中存在的问题

2.2.1 直埋管道受力设计方法适用范围不够广泛

《规程》中虽然规定了直埋管道受力设计方法，但该方法的适用范围仅为供热介质温度低于150℃，公称直径小于DN500mm的一体型预制保温管。目前供热系统所使用的供热管道的规格已发展为公称直径DN1400mm，其管道工作压力要求也相对较高。而《城镇供热直埋管道技术规程》以及很多设备厂商的样本或者设计手册中所给出的图表和公式适用于工作压力低、直径小的管道，可能未必适用于直径大、工作压力高的直埋敷设管道的受力设计[4]。在进行直埋管道受力设计时，应对现有公式与原理展开透彻分析，进一步分析大直径管道的设计要点。

2.2.2 大直径管道失效方式研究不够深入

由于在管道内发生失效的位置和情况都有所不同，失效方式也有所不同。直管、三通、弯头、阀门等都有各自对应的失效方式。当前对于直埋管道受力设计方法中的失效方式只是考虑了其中的某一部分，例如在对直管的受力设计中，仅对小直径直管段考虑了无限塑性变形破坏、整体垂直失稳的情况，忽视了局部失稳。对于直径较大、工作压力较高的管道，这一情况不可忽视。设计时应结合实际情况，对管道失效方式做出分析与验算，确保管道受力的设计能科学合理。

3 直埋供热管网施工

3.1 管道沟槽的要求

土方工程在供热管道直埋无补偿冷安装设计和施工过程中，是一个非常重要的环节。在有关供热管网土方施工工程的许多案例中显示，沟槽基底的回填土若没有按照设计要求进行回填，会造成沟槽基底出现不牢固情况，此时若将管道直接吊装进行安装，管道底部的沉降不均匀，致使管底无法与沟底之间实现紧密接触，会造成整段管底局部出现悬空的现象[5]。焊接管道时，若使用抬高管道强制对口焊接的方法，使管底悬空，导致管道失去均衡的支持力，管道焊口处会出现开裂漏水的现象，这些对供热管网的安全运行都存在负面影响，因此，供热管道直埋无补偿冷安装施工中需要采取有效的措施予以解决。

3.2 管材要求

对于一次网来说，供水设计温度一般控制在130℃，这对管道有着很高的要求，输送介质的温度高，所以保温材料除了要具备较低的导热系数，还要具备足够的耐温性能、良好的防水性能，确保其在高温状态下能正常运行，否则因高温导致保温材料出现碳化，影响保温性能[6]。实际的工程中，我们常用的保温管和保温弯头是预制的，已在工厂提前做好钢管内层、聚氨酯硬质泡沫的发泡、高密度聚乙烯外保护层的防腐加固处理。输送距离长，输送介质温度高，受到热胀冷缩的影响，保温管的外保护层所承担的摩擦力很大，因此，外保护层与保温层、保温层和钢管之间的结合力要很强，确保能够实现“三位一体”。当管道内温度出现变化时，钢管受到热胀冷缩的影响产生变形，透过保温层传到外保护层，外保护层和周围回填土之间会产生相运动，产生很大的摩擦力。此时，外保护层所受的土壤摩擦力又能通过保温层对钢管的热胀冷缩的变形起到限制作用。一次管网直埋管道主干线、支干线、支线上设置的关断阀门、分段阀门、放气阀门和泄水阀门应选用质量可靠的金属硬密封焊接式球阀和蝶阀。

3.3 管件的选择

无补偿直埋管道运行过程中涉及的所有管道管件都要承受巨大的荷载，弯头、三通、阀门等处可能会出现疲劳破坏现象，特别是弯头处，要承受巨大的环向应力，需对这些应力集中部位进行强度验算。若强度超出了管件自身结构的许用应力，此时需考虑设固定墩或者补偿器减少对这些管件的损坏。三通处可选用肋板加强式的结构，特殊角度大折角处可把大折角分解为几个常用小角度的弯头相连接，也可根据实际情况选择大弯曲半径的弯头进行替代。

3.4 强度试验、严密性试验

一级管网要求进行100%无损探伤，低区管网即二级管网进行30%无损探伤，且相对应的射线探伤必须不小于现行国家标准GB/12605Ⅲ级和Ⅱ级要求。无损探伤合格之后，按《规范》要求，一级管网和二级管网均应进行强度试验和严密性试验。水压试验过程中若发生泄漏跑水现象，应先泄水待漏点处理后再重新进行水压试验，不得带压处理。严密性试验应详细排查管道、焊缝、管件、设备等处保证无渗漏为合格。试验合格后进行分层回填。

4 结论

综上所述，供热管道直埋敷设技术是一种相对先进的技术，在应用过程中有着非常显著的经济效益，对于供热节能有着极为突出的贡献，本文针对供热管道直埋辐射技术进行深入探讨，采取有效的完善措施，使其在应用过程中更加高效、显著。