大管径直埋热水供热管道的安装方式与设计

供热热网与热力站

大管径直埋热水供热管道的安装方式与设计

陈　鸣,　冯继蓓

(北京市煤气热力工程设计院有限公司,北京100032)

摘　要:　结合工程实例,对公称管径≥500mm的大管径直埋热水管道的安装方式、设计理论及设计要点进行了探讨,对大管径直埋热水管道的设计、施工提出了建议。只要满足强度和稳定性条件,应优先采用无补偿冷安装方式。在设计时应重点考虑防止局部失稳、加强管件结构及控制管道坡度变化幅度。

关键词:　直埋热水供热管道;　大管径;　无补偿冷安装;　设计

中图分类号:T U995 文献标识码:B 文章编号:1000-4416(2006)10-0046-03

I n st a ll a ti on M ode and D esi gn of D i rectly Bur i ed Hot2wa ter

Hea t2supply P i peli n e w ith Large D i a m eter

CHEN M ing,　FENG J i2bei

(B eijing Gas and Heating Engineering D esign Institute Co.,L td.,B eijing100032,China)

Abstract:　The installati on mode,design theory and design essentials of directly buried hot2water p i peline with nom inal dia meter of equal t o or greater than500mm are discussed,and suggesti ons on the design and installati on of directly buried hot2water p i peline with large dia meter are offered.The cool in2 stallati on mode without expansi on should be adop ted p referably p r ovided that the conditi ons of strength and stability are met.Preventing l ocal instability,reinforcing p i peline structure and contr olling change a mp litude of p i peline sl ope should be considered i m portantly in the design.

Key words:　directly buried hot2water heat2supp ly p i peline;　large dia meter;　cool installati on without expansi on;　design

近年来,我国城市集中供热得到蓬勃发展,直埋热水管道得到广泛应用[1～5]。1974年,由北京市煤气热力工程设计院等单位着手开展供热管道直埋敷设试验研究工作,经试验研究获得了多项研究成果,推出了DN500mm以下管道无补偿冷安装直埋敷设的计算方法和设计参数,并应用于大量的实际工程,为制定城镇供热管道工程技术标准奠定了基础。参与编制的CJJ/T81—98《城镇直埋供热管道工程技术规程》于1999年发布实施[6]。近年来,随着我国集中供热事业的不断发展,各地逐步探索并实施更大管径直埋热水管道的敷设。直埋公称直径≥500mm热水管道(本文称其为大管径直埋热水管道)后会出现哪些问题,采用哪些行之有效的设计思路和方法,都值得进一步探讨。本文以哈尔滨市道里区集中供热工程为例,对大管径直埋热水管道的安装方式、设计理论及设计要点进行探讨。

1　工程概况

哈尔滨市道里区集中供热工程的总供热面积为1758×104m2,供热负荷为1055MW。供热管道全长为65.8km,最大公称管径为1000mm,新建、改建热力站196座。供热管道分为南、北两条主干线,长均为4～5km。供热介质温度为130～70℃,设

第26卷　第10期2006年10月煤气与热力

G AS&HE AT

Vol.26No.10

Oct.2006

计压力为1.6MPa。该工程的特点是工程规模大,建设期短,要求当年实现部分供热。

哈尔滨市道里区为老城区,街道狭窄,地质条件较差。由于大部分管道敷设在市内人口密集区,地下管道较多,综合考虑技术可行性、有效利用地下空间和缩短工期等方面因素,除过立交桥、过铁道及交叉管线复杂等不适合直埋的特殊位置采用管沟或顶管施工外,主要采用直埋敷设。

2　安装方式

目前,国内直埋热水管道采用的安装方式包括明沟分段预热方式、一次性补偿器覆土预热方式、固定墩和直埋补偿器结合方式、无补偿冷安装方式等。对于直埋热水管道,优选无补偿冷安装方式,这种安装方式具有管网设备少、施工期短、造价和运行费用低等优势。因此,本工程采用无补偿冷安装方式,这是目前国内采用该安装技术的较大规模的供热管网。

3　设计理论

CJJ/T81—98《城镇直埋供热管道工程技术规程》(以下简称《规程》)中直埋热水管道的适用范围为:供热介质温度≤150℃,公称管径≤500mm。这是由于编制《规程》的依据来自公称管径≤500mm 的直埋热水管道的试验数据,很多强度计算、管道热伸长计算中对荷载进行了简化处理,虽然对小管径直埋热水管道影响不大,但公称管径一旦超出500 mm过多时,简化计算结果就会产生较大偏差,可能会产生某些安全隐患。本工程最大公称管径为1000mm,已超出了《规程》的适用范围,因此不能完全按《规程》进行设计。我院借鉴了承揽的国内许多大管径直埋热水管道的施工经验,并根据本工程的实际情况,分析并参考北欧的设计手册和国内相关埋地管道的设计规程,对直埋热水管道在不同工作状态下的管道强度、稳定性、局部屈曲进行了验算,在验算中综合考虑管道内压、介质温度、运行规律、交通、土壤作用、当地气象参数、地质情况。在土壤垂直荷载计算中考虑了卸荷拱的作用,使得直埋热水管道的取用壁厚较为经济,同时保证了其使用寿命和安全运行。

无论小管径还是大管径直埋热水管道在设计时不但要进行强度计算,而且随着管径的增大还应对其稳定性进行分析。有补偿安装方式采用的应力验算依据为弹性失效准则,将因荷载引起的应力和应变控制在弹性范围内。无补偿冷安装方式采用的应力验算方法为应力分类法,应力分类法对管道的各种应力分别采用不同的限值,合理地考虑管道受载条件,最大限度地考虑了管材的承载能力。在应力分类中对二次应力采用安定性分析,安定性指管道在有限塑性变形后,仍能安定在弹性状态的特性,并对管道在整个使用寿命内进行疲劳分析。

4　设计要点

①　防止局部失稳

大管径直埋热水管道相对壁厚小,当管网升温致使管壁压应力达到一定值时,出现局部失稳的概率随钢管平均半径的增大而增大,特别是某些管件(弯头、三通等)如不采取必要措施还可能出现整体失稳或局部屈曲[7]。针对该工程的特殊情况,在综合考虑了管道埋深、地质情况、地面荷载、应力变化等多种因素后,还有必要考虑管道的径向椭圆化变形,在相同的埋深、地面荷载条件下径向椭圆化变形随管道平均半径的增大而增大。控制局部失稳和径向椭圆化变形的主要方法为适当增加钢管壁厚及加强管件结构,虽然适当增加钢管壁厚增加了钢管造价,但与有补偿安装方式相比大大降低了补偿器和固定支座的数量,缩短了施工期,整体工程造价反而下降。

②　加强管件结构

在供热管道中无论活动段还是锚固段都不可避免地存在分支管线,在分支管线的三通部位除轴向应力外还存在局部峰值应力。峰值应力指管子或管件上由于局部结构不连续或局部热应力效应产生的应力增量,它的特点是不引起显著的变形,是一种导致疲劳裂纹或脆性破坏的因素。因此三通部位是大管径直埋热水管道在采用无补偿冷安装方式时的薄弱部位,必须加强三通结构确保管网运行的安全性。三通管件必须按设计计算结果采用工厂预制,不得采用现场开孔对接三通。

③　控制管道坡度变化幅度

由于管道敷设沿途存在很多已敷设的市政管道,因此直埋热水管道不可能始终保持理想的埋深。在穿越路口等地下管道复杂地段时,直埋热水管道要采用上翻或下翻穿越的施工方法。为避免管道转角处应力集中产生循环疲劳破坏或局部失稳,应控制管道坡度变化幅度。

总之,在大管径热水管道设计中应根据管道工

第10期陈　鸣,等:大管径直埋热水供热管道的安装方式与设计第26卷