大管径热水管道直埋无补偿敷设技术的应用Word

大管径热水管道直埋无补偿敷设技术的应用主题词：大管径 热水管道 无补偿 应力分类 应力验算【摘要】随着我国供热事业的迅速发展，供热管道直埋敷设方式以占地少、施工周期短、维修量小、寿命长等诸多优点，逐渐取代了地沟敷设方式，热力管网的直埋敷设在国内外已经被广泛地应用在许多供热工程中，直埋管网的安装方式从有补偿、预热安装发展为冷安装方式。本文通过结合工程实践，分析了大管径热水供热系统直埋无补偿敷设技术的技术要点和工程实际应用。一、问题的提出1、几十年来，我国的供热管道沿袭采用地沟敷设方式。供热管道地沟敷设主要存在一系列的问题：地沟敷设管道常用的保温材料多数防水性差，保温层容易脱落，不仅降低了保温效果，增大了管网的热损失（热损失高达 25% 左右），而且增加了维护工作量。钢管经常处于热湿环境中，腐蚀情况严重，缩短了使用寿命。 地沟敷设供热管道的挖沟、砌沟、管道安装、管道保温、地沟回填等施工工序均在现场进行，施工人员劳动环境恶劣，施工周期长，对城市交通影响大，工程造价高。2、预制保温管直埋敷设的优点2.1工程造价低对热水供热管道，可以降低 10%左右。地沟敷设与直埋敷设供热管道经济技术比较（DN200）热损失标准耗煤工程造价维修费使用寿命施工周期施工难度占地面积遇障碍物遇水处理直埋敷设11114短小小少施工降水地沟敷设2.532.531.066.361长大大多作防水处理2.2热损失小，节约能源直埋保温管采用聚氨酯硬脂泡沫塑料作保温材料，其导热系数比其他普通保温材料低得多，保温效果提高48倍。保温材料导热系数聚氨酯硬质泡沫塑料石棉毡泡沫混凝土水泥矿渣棉岩棉玻璃棉膨胀珍珠岩导热系数（W/(m)0.0150.0350.0160.1280.3950.0810.1010.0740.081密度（kg/m3）6080150120聚氨酯硬质泡沫塑料吸水率低，小于10%。低导热率和吸水率，加上保温层外面防水性能好的高密度聚乙烯，大大减少了供热管道的整体热损失。3.3防腐、绝缘性能好、使用寿命长高密度聚乙烯外保护层具有良好的防腐、绝缘和机械性能，所以只要管道内部水质处理好，保温管道使用寿命可达 30 年，比传统的地沟敷设提高寿命34 倍。3.4占地少、施工快、有利于环境保护总之，供热管道中采用直埋敷设和地沟敷设相比，有不可比拟的优越性。二、项目简介哈尔滨热电有限责任公司（以下简称哈热公司）是一家大型的热电联产企业，在热网管道设计、施工及管理方面积累了大量的经验，热网始建于60年代初，在早期管网设计中全部采用地沟敷设方式，在运行中出现了地沟内积水，保温脱落，管道腐蚀等情况。从2000年开始，管道全部采用直埋敷设，在设计上采用了无补偿敷设技术，最大管径DN1000。经过多年的运行观察，证明了直埋无补偿敷设技术的可行性、实用性和安全性。采用这种技术，大大减少了补偿器、固定墩的使用，减少了系统中危险点的数量，提高了管网安全运行可靠性；节约了工程资金；施工周期短，管道寿命长；降低了维护费用以及热损失。2008年哈热公司完成了省政府供热管网工程，敷设DN1200管道沟长3700多米，改变了以往最大管径DN1000的局限，成功完成DN1200管道的敷设，经过两个采暖期的运行，状况稳定，供热效果良好。省政府工程的顺利完工，改写了哈热公司的供热发展规划，供热事业得到了进一步的发展，大管径热水管道直埋无补偿技术水平得到了进一步提高。三、大管径热水管道直埋无补偿技术的主要内容整体式预制保温管道和周围回填土壤系统共同构成了供热管网的完整系统，管道系统由直管、弯头包括L形、Z形、U形等补偿弯管、折角、变径管、三通、补偿器、和固定墩（或固定支架）等构成，回填土壤包括周围回填砂和外围回填土。直埋供热管道与地沟敷设和架空敷设的不同之处在于土壤对直埋管道应力的影响。土壤对直埋管道应力的影响包括土壤的支撑作用和土壤对热胀冷缩的约束作用。一方面，土壤的支撑作用使管道自重不会产生横向弯曲变形；另一方面，土壤的摩擦阻力压缩了热胀冷缩，使管道产生了较大的二次应力即热应力，与地沟敷设和架空敷设相比，热应力作用对直埋管道的影响变得十分突出。直埋供热管道中热应力的水平远远高于内压产生的一次应力。因此，直埋供热管道的安全性取决于管道中应力的大小，而应力的大小又取决于作用于管道上的荷载。管道热膨胀变形不能完全释放时，温变应力超过管道屈服极限时，仅会使管道结构产生塑性变形，塑性变形产生的应变只要是在安全范围内，不会对管道结构造成危害，管道仍能在安全工作条件下运行，管道就处在安定状态。充分发挥管道的材料潜力，使管道不出现物理破坏，这就是应力分类、安定性分析设计方法的主要出发点，它是一种先进的设计方法。热水管道的直埋敷设方式分为有补偿敷设和无补偿敷设。即通过应力验算可以确定管道在一定的温差范围内，长直管线不需要设置补偿器即采用无补偿直埋敷设，当最高运行温度和循环最低终温温差超过最大允许温差后，直埋管道应采用有补偿敷设，并应控制过渡段的最大允许安装长度。3.1热水管道直埋无补偿技术目前供热管道直埋无补偿设计方法有两种：一种是北欧的计算方法，应用第四强度理论，采用极限分析，管道安装时需要预热安装；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，采用应力分类、安定性分析，管道冷安装即可。冷安装与预热安装相比较更为方便、快捷，易于应用和推广。 3.1.1 应力分类 直埋管道的安全性取决于管道中应力的大小。直埋管道中根据应力产生的来源及出现不同的失效方式可将应力分为： 1）一次应力：介质在管道中工作产生的应力，如内压环向应力。 2）二次应力：管道热胀冷缩变形产生的应力，如温变轴向应力。 3）峰值应力：一定时期内，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、弯管等处释放变形，在该管件上产生的应力集中。 在直埋管道中，二次应力（轴向温变应力）的水平远远高于内压产生的一次应力（内压应力），因此，直埋管道的安全性主要取决于管道的轴向温变应力。 3.1.2 直埋管道的失效直埋供热管道的失效包括两个方面：1）强度失效：因管道中各类应力超出其相应的强度条件而产生的断裂破坏。 强度失效包括塑性流动、循环塑性变形和疲劳破坏。塑性流动：内压产生的一次应力，取决于静力平衡条件，所引起的变形具有非自限性，当一次应力超过屈服极限时，管壁会产生较大的塑性变形，叫塑性流动。循环塑性变形：温度变化产生的二次应力，取决于变形协调条件，所引起的变形具有自限性，变形的同时总能使应力下降，反过来又使变形不再发展。当二次应力超过屈服极限时，只会产生有限的塑性变形，然而，这种塑性变形会对管壁内部结构构成一定程度的损伤，循环往复的塑性变形将使管道发生破损。在管道使用期间内，当温度和压力产生的应力变化范围超过2倍的屈服极限时，管道在生温过程中将出现压缩塑性变形，在降温过程中将出现拉伸塑性变形，最终导至循环塑性破坏。疲劳破坏：应力集中通常发生在弯头、变径、折角、三通等管件处，在温度和压力变化过程中，产生集中引起的峰值应力，将在很小的局部范围内产生循环塑性变形。一方面，该区域是被弹性区域包围的，另一方面，塑性变形对钢材的 损伤作用，使管件经历一定的运行周期后，产生塑性破坏。2）稳定失效：管道在受压状态下丧失其稳定性而产生的破坏。稳定失效包括整体失稳和局部失稳。整体失稳：从整个管线看，管道属于杆件，在轴向压力作用下，由于压件效应，可能会引起管道的整体失稳。局部失稳：从管道局部看，管道属于薄壁壳体。在轴向应力作用下，管壁可能出现局部褶皱，引起局部失稳。3.1.3 应力验算无补偿管段应力验算有两种强度验算理论：弹性分析法和弹塑性分析法即安定性分析法。弹性分析法即只允许管道在弹性状态下工作，不允许出现塑性变形，认为管道出现塑性变形即会产生破坏。弹塑性分析法认为，管道产生的有限塑性变形并不会产生破坏，只有循环塑性变形才会使管道产生破坏。我国现行技术规程采用第二种应力验算方法。应力验算即分析管道本身的受力情况，根据材料力学的强度理论，验算管道最不利情况的综合应力是否在材料允许的强度范围内。 3.1.3.1 对一次应力的极限分析：热水管网直管一次应力极限分析的强度条件为小于基本许用应力。 3.1.3.2 对一次应力和二次应力共同作用下的安定性分析：虽然二次应力对应的有限塑性变形不会引起破坏，但为了保证热水管网运行期间处于安定状态，必须保证一次应力和二次应力的变化范围小于2倍的屈服极限，考虑到安全系数，其极限分析的强度条件为小于3倍的基本许用应力，用于无补偿直管段的强度验算。 3.1.3.3 三次应力亦称峰值应力仅出现在有限的局部区域，其引起的塑性变形对热水管道内部的金属结构造成的损伤小，可以允许一定次数的循环塑性变形的出现，允许的循环次数与应力变化的范围有关。为保证热水管网处于安全状态，要根据运行参数的变化控制一次应力、二次应力、三次应力的变化范围，考虑到安全系数，其疲劳分析的强度条件为小于6倍的基本许用应力。3.2大管径热水管道直埋无补偿技术的应用1.2.1随着直埋管道规模的不断扩大，哈热公司大胆地采用了无补偿敷设的设计方式。但是这种方式采用了相当高的相当应力值，增加了管段薄弱环节，如三通、弯头、折角等处以及由于管道各种缺陷而引起应力集中的地方产生疲劳破坏的危险，因而要对三通、弯头、折角等处需要进行仔细的分析验算，必要时采用加强措施，以保证管道受力设计的合理、热网的运行安全。弯头、变径、折角、三通等管件都是峰值应力产生的疲劳破坏。管件在热网启运和停运时承受极值峰值应力，而在热网正常运行时，管件只承受低频峰值应力。工程实践中对弯管采取控制弯臂长度，既保证补偿弯管吸收热胀冷缩的能力，又保护弯管安全的作用。变径管是管道上常用的管件，直埋无补偿设计中，由于变径两侧的直管道的应力不相同，特别是上级管径应力大于下级管径应力，造成变径处的峰值应力过大，对变径产生破坏。因此，应对变径管采取加强或设置固定墩保护。 工程实践中对于折角经常采用两侧臂限制臂长的方法，如布置固定墩或补偿器来限制长直臂轴向力或热膨胀向折角转移。支线抽头相对主管道来讲，起固定作用，有利于提高主管道的安全性。但抽头处也同时是环向拉应力最大的地方，对支线的破坏性产生较大。在高温直埋无补偿管道中，应采用固定支架及补偿装置来保证支线的安全。 由于管道的升温轴向力的压杆效应会使管道变弯，管段中产生较大的弯矩，从而引起垂直失稳（竖向失稳）。 管道投入运行后，在管线附近平行开沟时，土壤侧向的支撑作用减弱，极易产生管道的整体水平失稳。综上所述：由于直埋管道的工作环境较为特殊，影响直埋管道的各种力在理论上都会对管道产生影响，但在实际的工程实践中，要根据实际工况来区分哪些力会对管道的物理结构、运行工况产生严重影响，导致管道无法安全运行，采取相应的措施，保证管网的安全运行。3.2.2冷安装和预应力安装的选择原则无补偿敷设按照管道焊接温度又可分为冷安装和预应力安装。预热方式安装可以降低管道应力水平，但是这种安装方式需要预热，施工现场条件难以满足。所以在工程中选择冷安装方式，可以提高工作效率，减少施工时间，降低施工难度和占地面积，具有一定的经济效益和社会效益。冷安装与预热安装相比较更为方便、快捷，易于应用和推广, 大量的工程实践已经完全证明了冷安装方式的安全性。四、大管径直埋敷设技术创新点及关键点：哈热公司DN1200大管径热水管道敷设技术的创新点是超规范设计和采用无补偿敷设方式。4.1 1999年，中华人民共和国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 ) 颁布执行。该标准适用于管径小于 50Omm 的直埋供热管道工程。当管道的管径不大于DN500 时，管道只会出现无限塑性流动、循环塑性变形、疲劳破坏和整体失稳，而不会有其它方式的破坏出现。针对这种情况，规程给出了防止相应破坏方式出现的强度条件。当上述强度条件得到满足时，DN500以下的管道将处于安全状态。然而，对于管径大于DN500 特别是DN1200大管径热水管道的直埋技术，还没有制定相应的规范和执行标准。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。规程中对于直管的受力设计未考虑局部失稳破坏。对于大直径、较高工作压力的管道，必须考虑管道的局部失稳破坏。哈热公司对于DN1200大管径热水管道，采用适当加大管道壁厚的方式来避免管道的局部失稳破坏，供水管道壁厚14mm，回水管道壁厚12mm，有效地避免了局部失稳截面椭圆变形的出现。4.2哈热公司在管网设计中，由于没有相应的规范指导，设计中借鉴了电厂高温高压汽水管道的设计方法，将应力分为一次应力，二次应力（温度应力），三次应力（峰值应力）。在应力验算满足条件的情况下，尽可能采用无补偿敷设方式，管道的补偿充分利用自然补偿，在自然补偿不能满足补偿要求时，采用全埋型波纹管补偿器补偿。对三通、弯头、大小头等薄弱区进行自然弯管或加装补偿器进行补偿保护。整个管网尽量减少补偿装置的设置，否则，既增加了管网的投资，又增大了出现事故的概率,降低了管网的可靠性。特别是DN1200大管径热水管道，由于没有规范的指导，很多设计单位基本不采用无补偿直埋敷设，大多采用有补偿敷设方式，管网每隔120米左右设置一个固定墩和补偿器，在地下设施复杂的城市道路敷设，施工难度相当大，投资也会相应增加。哈热公司大胆采用这种敷设方式，是基于多年电厂高温高压汽水管道的设计安装经验，实践证明了DN1200大管径热水管道无补偿敷设技术是可行的。4.3大管径热网设计的特殊技术点：由于道路下设施管线复杂，不可避免发生供回水管道上下敷设的问题，在理论上应将供水管道敷设在上部。大管径热水管道不能随意更改标高及走向，特别是供水管道，运行温差大，热应力大。因此本工程中采取了保证埋深符合规范要求的条件下，将回水管道敷设在上部的方案，实践证明，这种方法比较安全可靠。五、大管径直埋热水管网系统的运行 省政府管网工程，设计供回水温度为130/70,如果安装温度取为10（实际高于10），设计温差为120，大于屈服温差105，低于按照弹塑性分析方法计算的控制最大温差133温差，长直管段管段允许出现锚固，允许管道部分进入屈服状态。当管道安装长度L小于过渡段最小长度Lmin，即使在第一次升温超过屈服温差后，也不会出现锚固管段，仍处于弹性状态下。当管道安装长度L大于过渡段最小长度Lmin，长度大于Lmin的管段处于锚固状态，也就是出于屈服状态，并产生塑性变形。由于该塑性变形的存在，再下一次升温时就产生了一定的预应力，管道不再进入屈服。综上所述：管网在第一次达到达到最高温度时，发生有限塑性变形，在以后升温、降温过程中，整个管道都处在弹性工作状态。省政府热网工程，在第一个采暖期安全运行后，以后都将处于安全状态。六、大管径直埋热水管网应用的意义6.1提高输送热能的能力，通过大管径可以实现大规模供热；通过直埋敷设节约投资，节省占道空间，完成向远距离送热。6.2 DN1200管道无补偿敷设和同等管径有补偿敷设方式相比，补偿器数量减少50%以上，固定支架数量少，节约投资15%左右，施工进度缩短10%30%，管网阻力损失减少约20%，同时提高了供热运行可靠性。大大减少了补偿器的数量，即减少了管网危险点，提高了管网安全运行可靠性，节约了工程资金，施工周期短，管道寿命长，维护费用低。6.3如果适合条件热水管网系统全面应用直埋无补偿敷设技术，将极大程度减少泄漏损失。不仅使供热系统降低10%的输送热能损失、工程寿命达到30年以上是可能的，亦将使我国供热系统整体达到国际先进水平。在全国范围内，其经济效益将十分巨大。是我国热水管网系统设计、制造、安装、运行、管理上的一次深刻变革，将具有十分积极的现实意义。6.4 对节能减排、保护环境、创建绿色生态园林城市具有积极的意义。省政府热网敷设的成功，供热能力实现1100万平方米，从而可使一氧化碳、二氧化碳和粉尘排放量大大降低，大气环境将会得到明显改善。因此，该管网满负荷后，不但大大提高了社会的经济效益，还将带来较好的环境效益。首先，由于能源利用效率的提高，可节省大量能源，从而由于燃煤量的减少可相应减少灰渣量，减少烟尘、SO2和氮氧化物的排放；其次，由于取消分散燃煤锅炉房而减少了噪声源；并由节煤减少了煤和灰渣的堆放场地和汽车运输量，将改善城市卫生和交通状况等。参考文献：1、城镇直埋供热管道工程技术规程CJJ/T81-982、供热规程第三版 贺 平 孙 刚 （注：素材和资料部分来自网络，供参考。请预览后才下载，期待你的好评与关注！）