供热管道保温处理与无补偿直埋敷设设计探讨

 【摘 要】供热管道无补偿直埋敷设的方式和传统的有补偿敷设相比较，无补偿敷设大大地减少了固定支架和补偿器的数量，同时冷安装的施工方式也减短了施工周期，在运行中减少了管网的漏点，在我国供热行业中具有十分重要的意义。 

　　【关键词】供热管道；无补偿直埋敷设；保温材料 

　　一、供热管道的保温处理 

　　我们知道，许多供热管道由于保温处理不当，因此每年都会因为能源的丧失造成绝大的经济损失，尤其是在一些天气较为寒冷的地区，供热管道保温措施的缺失，让能量的。也就是说，所谓的供热管道保温处理是指，减少供热管道及其附件、设备等向周围环境散失热量的措施。 通过上面的描述我们已经对保温处理的目标和目的有了一定的了解，再从更详细的角度来说， 保温的主要作用是减少供热介质在输送过程中的热量损失，节约燃料，保证供热质量，以满足用户的需要。保温的另一个作用是使管道外表面温度不致过高（不超过60C），避免烫伤运行检修人员。 

　　（一）对供热管道进行保温处理需要首先选择合适的保温材料。保温材料应具有热导率小不超过3兆瓦/（米・开），吸水性低，机械强度较高，在使用温度范围内不变形、不变质、可燃性小、不腐蚀金属，易于施工成型和成本低廉等特点。 现在经常见到的保温材料也就有无机和有机两种。（1）无机保温材料常用的有泡沫混凝土、矿棉、石棉、玻璃棉、蛭石、硅藻土、膨胀珍珠岩以及岩棉等。（2）有机保温材料。随着化学工业的发展，如聚氨酯硬质泡沫塑料等已在供热管道上使用。这种保温材料热导率小、耐腐蚀性好、吸水率低、质轻、强度大、加工成型简单，但耐温程度有待进一步提高。 

　　（二）供热管道的保温一般由保温层和保护层两部分构成。为防止腐蚀，先要在管子表面涂上防锈材料。保温层的厚度由技术经济比较确定。保护层一般用石棉水泥涂抹或用沥青玻璃布、金属皮包覆。必要时，在保护层外还应采取防水措施。保护层的外表面应当整洁、光滑、美观并与周围环境相协调，有时还刷上一层色漆，以区别不同用途的管道。供热管道保温结构的施工方法有涂抹式、灌筑式、填充式、绑扎式和预制式，其中绑扎式和预制式结构使用广泛。附件和设备的保温结构形式，可根据其具体形状因地制宜地选择。 

　　二、无补偿直埋敷设供热管道技术难点 

　　无补偿直埋敷设的难点是设计的技术难度大。热水管道为满足功能要求及敷设条件，在管网上需要设置许多管道附件。直埋管道运行状态复杂，随着管道升温降温的变化，管道的工作状态可能偏离设计状态。因此设计人员须熟练掌握应力分析方法并有相当的实际工程经验，根据管网各种因素的组合条件综合考虑，对直管段及每一个管道附件按最不利工况进行计算，并采取适当的技术措施。无补偿直埋技术于20世纪80年代传入我国，目前供热管道直埋无补偿设计方法有两种： 

　　（一）一种是北欧的计算方法：应用第四强度理论，形状改变比能是引起材料屈服破坏的主要因素，无论什么应力状态，只要构件内一点处的形状改变比能达到单向应力状态下的极限值，材料就要发生屈服破坏，也就是极限分析法，采用此方法时管道安装需要预热安装； 

　　（二）一种是北京煤气热力工程设计院的计算方法：应用第三强度理论，即采用应力分类：（1）一次应力，工作压力在管道中产生的内压环向应力、轴向应力等；（2）二次应力指热胀冷缩受到外力约束时，在直管中产生的应力，如升温产生的轴向压应力、降温产生的轴向拉应力；（3）三次应力指承受一次应力和二次应力的直管道向结构不连续的管件如三通、变径管、弯管等处释放的变形，在该管件的开口周围产生的应力。以上按应力分类的方法也叫安定性分析，采用此方法时管道冷安装即可。 

　　三、供热管道管材分析与设计要求 

　　（一）管材分析 

　　应用在供热管道上的管材多为低碳钢Q235。我们首先就要了解低碳钢Q235的材料特性。伸长率δ<5%的材料为脆性材料，伸长率δ>5%的材料为塑性材料。Q235塑性伸长率可达20%～30%（一般取26%），断面收缩率Ψ≈60%。由此可见Q235钢是一种塑性较好的一种材料，从Q235钢拉应力性能曲线上来分析它在不同应力阶段的变化情况。（1）弹性阶段。OA为弹性变形阶段，σp为比例极限，拉应力与变形保持正比例关系，Q235钢的比例极限σp=200MPa，σe为弹性极限（AB段）δ与ε间的关系不再成正比，但变形仍是弹性的。A与B非常接近，在工程不对弹性极限和比例极限并不严格区分。（2）屈服阶段。屈服：当应力超过B点到达C点后，应力σ呈现幅度不大的波动而变形却急剧地增长，这种现象称为屈服。C点为屈服高限，D1为屈服低限，通常将屈服低限称为屈服极限，Q235钢的屈服极限σs=235MPa。（3）强化阶段。强化：经屈服后，材料又增强了抵抗变形的能力，这时要使材料继续变形，就需要增大拉力，这种现象称为强化。D1D段为强化阶段。Q235钢的强化极限σb=375MPa。（4）局部变形阶段。从D开始，杆件某一局部横截面急剧收缩，出现颈缩现象，到E点时被拉断。 

　　（二）管道设计要求 

　　（1）针对市区地下敷设的管道易产生折角的现象，在管道布置中将大折角分解为几个小角度折角进行敷设。对于相距较近的折角，由于将其分解为小折角会很困难，则采用大弯曲半径的弯管来代替大折角，从而避免了折角处有预应力集中而产生低循环疲劳破坏或局部失稳破坏。（2）使用大弯曲半径的弯头，所有直埋管道大口径弯头的弯曲半径不小于2.5倍公称直径。弯头的壁厚比相同管径的钢管壁厚多2mm。（3）焊接及检验要求。现场焊接应保证焊透，管径大于或等于DN400的钢管及管件焊接应采用氩弧焊打底，并采用双面焊。 

　　四、直埋管网安装方式 

　　（一）无补偿冷安装 

　　无补偿冷安装是指供热管道的整体焊接温度等于沟槽回填时的温度，即管线焊接和沟槽回填等安装过程都是在正常的环境温度下进行的。管道应力验算采用分类法和安定性分析理论，设计中考虑各种载荷条件可能的组合，将应力根据其起因、来源、作用范围、性质和危害程度不同进行分类，采用不同的强度验算条件。按照以上方法设计的直埋热水管道，直管段通常可以不设补偿装置且不必预热，管道焊接和沟槽回填等安装过程都在冷态条件下进行。在冷态的环境温度下管道处于零应力状态，在运行工况下热应力增大，但应力变化范围始终控制在允许值之内。该设计方法在热水管道直埋敷设中可以发挥明显优势，利用温度应力具有自限性的特点，充分发挥管材的承载能力。 

　　（二）预应力方式 

　　预应力方式有敞开式预热安装和设置一次性补偿器覆土后预热两种，在管道温度升至预热温度时回填或焊接，在管道温度恢复至环境温度时，管道处于拉应力状态，产生预应力效果。由于一定量的热胀变形提前释放，管道在工作过程中压应力和拉应力均不超过钢材的许用应力。（1）敞开式预热安装。在覆土前，管道可以进行敞开式预热。由于没有土壤摩擦力，管道的热胀变形可以提前释放，预热温度为管段内平均应力为零时的温度。管道被加热到预热温度时覆土后再冷却，使管道达到一定的平均应力水平。在首次运行加热移动后，其管端的位移与冷安装的位移大致相同，但避免了冷安装在首次移动时的较大位移。（2）设置一次性补偿器覆土后预热。这种方法是在管道的直段部分，按计算的间距分段安装一次性补偿器，并仅在补偿器附近的沟槽处敞口，其余沟槽回填。一次性补偿器的补偿量在预热前调整为设计值，当管道首次加热使补偿器的伸长量到位后将一次性补偿器焊接为整体，管道的热胀变形得到了提前释放。由于土壤摩擦力的作用，在两个一次性补偿器之间的局部应力，将高于补偿器处的应力，然而，由于系统温度的变化，在多次变化以后，应力将均匀一致。 

　　参考文献 

　　[1]王宗林热水管道直埋无补偿敷设技术研究及应用[J]区域供热2008.4 

　　[2]王 钢，郑 斌，张 黎.大管径直埋供热管道设计方法初探[J].区域供热，2000，（3） 

　　[3]何 聪，赵玉军，李祥瑞.无补偿预热直埋敷设方式的探讨[J].煤气与热力，2002，（5）