大管径直埋供热管道无补偿敷设方式的应用

 摘 要：介绍了供热管道常见的直埋敷设方式，讨论了供热管道直埋敷设的设计方法和选择原则，在满足管道强度和稳定性条件下，应优先采用无补偿冷安装敷设方式。介绍了直埋供热管道可能出现的失效方式，结合工程实例，分析了公称管径大于DN500的大管径供热管道无补偿冷安装直埋敷设技术的技术难点，给出了工程实际应用中采取的技术措施。 

　　关键词：大管径；供热管道；无补偿冷安装；直埋敷设 

　　供热管道直埋敷设分为无补偿直埋敷设和有补偿直埋敷设。无补偿直埋敷设又可分为无补偿冷安装直埋敷设、预应力无补偿直埋敷设。预应力无补偿直埋敷设又分为机械拉伸、敞槽预热、一次补偿等多种形式。预热方式按加热介质又分为热水、热风和电加热等。 

　　1 敷设方式及选择原则 

　　在直埋供热管网设计过程中，无补偿直埋敷设的设计方法采用应力分类法对管道进行应力验算。应力分类法根据由不同特性的荷载产生的应力性态和对管道破坏的影响，对管道上不同性态的应力分别给予不同的限定值[1-3]。应力分类法将计算应力分成一次应力、二次应力及峰值应力，分别采用弹性分析理论、安定性分析理论及疲劳分析理论进行分析，可以充分发挥管材的承载能力。 

　　采用无补偿冷安装直埋敷设技术，可以大大减少补偿器、固定墩的使用，减少系统中危险点的数量，从而提高管网安全运行可靠性；节约工程资金；施工周期短，管道寿命长；降低了维护费用以及热损失。所以，在满足强度和稳定性条件下，应优先采用无补偿冷安装方式。 

　　2 工程概况 

　　为减少西北地区某石化企业的大气污染物排放，改善附近居民生活环境，该石化公司于2011年进行了生活区供暖系统热电联产改造，将原有集中供热锅炉房停运，采用该石化公司热电厂供出的低压蒸汽实施热电联产供热。 

　　该热电联产改造工程的总供热负荷为145MW，高温水供热管道全长为6km，最大公称管径为DN600mm，供热介质高温供回水温度为130～80℃，设计压力为1.23MPa。该工程的特点是工程规模大，建设期短，要求当年实现供热。在工程设计中采用应力分类法进行应力验算，高温水供热管道全部采用无补偿冷安装直埋敷设技术。经过近四个采暖期的运行，状况稳定，供热效果良好。证明了大管径高温水供热管道无补偿冷安装直埋敷设技术的可行性、实用性和安全性。 

　　3 高温水供热直埋管道设计的主要难点 

　　（1）2011年进行本工程设计时，可依据的设计规范版本为行业标准《城镇直埋供热管道工程技术规程》（CJJ/T81-98）（以下简称：《规程》（CJJ/T81-98））。该标准适用于供热介质温度小于或等于150℃，公称直径小于或等于DN500的直埋热水管道。对于管径大于DN500的大管径高温水管道的直埋技术，当时还没有制定相应的规范和执行标准。 

　　（2）直埋供热管道的失效方式。直埋供热管道可能出现的的失效方式包括强度失效和稳定性失效两个方面，当管道的管径大于DN500时，除上述破坏方式外，局部失稳和截面椭圆变形出现的概率将大大增加，会成为大管径直埋管道的主要失效方式。因此，需要管材管件选用、管网设计、现场施工中采取必要的技术措施防止直埋管道的失效。 

　　4 无补偿冷安装直埋敷设技术采取的技术措施 

　　4.1 选用合格产品。劣质的高密度聚乙烯外壳起不到的整体防水作用，极易产生腐蚀破坏，而低粘结力的保温层使预制保温管无法形成三位一体的结构，使钢管产生无法预知的热胀变形，或者加大管件的应力水平。因此，采用符合产品标准的预制保温管是优质直埋管网工程的基础。 

　　4.2 合理的系统设计 

　　（1）弹性弯曲管道（弯管）设计。针对该石化生活区地下障碍物较多，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（≤1°）折角进行敷设。对于0～15°折角和16～85°转角（弯管），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，可以将应力分散，从而避免了折角处由于预应力集中而产生低循环疲劳破坏或局部失稳破坏。 

　　（2）增大弯头弯曲半径。当弯头侧壁较长，曲率半径较小，循环温差较大时，会招致峰值应力，发生低频次的循环塑性变形，在循环一定次数后发生疲劳破坏。因此，为了增加弯头的强度，在设计中使用大弯曲半径的弯头，将应力分散。同时减少了弯头的摩擦阻力，降低了压降损失，同时使补偿能力最大化。 

　　（3）直埋弯头处的处理。为了充分利用自然弯头的补偿能力，在设计中对弯头弹性臂侧做特殊处理。如弯头处做空穴、弯头两侧设置膨胀垫，为弯头提供弹性膨胀区域，使弯头的应力验算等同于在管沟或架空敷设时弯头的应力验算，在满足使用寿命的条件下，使其补偿能力最大。 

　　4.3 严格周密的现场安装 

　　由于大口径（DN600）高参数（供水130℃/回水80℃）无补偿冷安装直埋敷设技术的技术要求高，为确保工程质量，要求严格保证焊接质量，钢管及管件焊接全部采用氩弧焊打底和双面焊，并对所有焊缝进行100%无损探伤。 

　　4.4 平稳的生产运行 

　　对于相同的热网，在连续运行和间歇运行工况下，两者的情况是不同的。温度变化频繁，将加大钢管的循环塑性变形和疲劳破坏，也就容易破坏。因此，在进行供热调节时，应避免供热管网水温频繁的变化。 

　　5 结束语 

　　该热电联产改造工程于2011年11月完工并投入运行，无补偿冷安装直埋敷设的高温水管线经过了近四个供暖期的考验，没有发生任何问题，完全达到了预期的目标，通过此次工程实践，大管径高温水供热管道技术应用具有以下意义： 

　　（1）对《规程》（CJJ/T81-98）的有益补充和拓展。在热电联产项目中所采用的无补偿冷安装直埋敷设技术，主管道管径超出了《规程》（CJJ/T81-98）的规定范围，其成功的实践应用，是对《规程》（CJJ/T81-98）的有益补充和范围的拓展，为《规程》（CJJ/T81-98）今后的修订和完善提供了实践基础。事实上，住房和城乡建设部在《规程》（CJJ/T81-98）基础上进行修订后，2014年2月1日颁布实施的《城镇供热直埋热水管道技术规程》（CJJ/T81-2013）就将规程的适用范围扩大到“管道直径小于或等于1200mm的城镇供热直埋热水管道”[5]。 

　　（2）具有更高的经济性、稳定性和输热能力。由于采用了无补偿直埋敷设技术，直埋敷设本身就比管沟敷设节约了投资费用，取消了补偿器和固定支架，既节约了投资，又杜绝了补偿器产生故障而导致的对热网运行的影响和维护成本，提高了热网运行的安全可靠性，同时，也可缩短施工周期10%～30%，管网阻力损失可减少约20%。 

　　（3）对节能减排、保护环境具有积极的意义。热网的成功敷设，保证了热电联产装置的安全运行，消除了生活区燃煤供热锅炉运行时产生的粉尘和二氧化硫等污染，极大地改善了该石化企业生活区的大气环境。 

　　参考文献 

　　[1]CJJ/T81-98.城镇直埋供热管道工程技术规程[S]. 

　　[2]DL/T5366-2014.发电厂汽水管道应力计算技术规程[S]. 

　　[3]CJJ34-2010.城镇供热管网设计规范[S]. 

　　[4]王飞，张建伟.直埋供热管道工程设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2007. 

　　[5]CJJ/T81-2013.城镇供热直埋热水管道技术规程[S].