关于蒸汽直埋供热管道设计的研究

刘亚娟 张小燕

（西安市热力总公司，陕西 西安 710016）

0 引言

随着经济的发展以及城市建设规模的不断扩大，传统地沟敷设的管道设计已经不适应当前建设的要求。而蒸汽直埋供热管道由于具有占地面积小、管网使用寿命长、施工时间短等独特的优势而越来越成为当前城市供热的发展趋势。因此，笔者认为，在当前城市建设的背景下，对蒸汽直埋供热管道设计的研究这一课题进行相关的探讨具有非常重要的实际意义。

1 蒸汽直埋供热管道的材料和保温结构

1.1 蒸汽直埋供热管道的材料

1)工作管。蒸汽直埋供热管道的工作管最好是选择流体的输送管道，具体来说，当公称通径在300毫米或者以上时，可以选择高频的直焊缝管或者Q235A螺旋焊缝管，而当公称通径为250毫米或者在250毫米以内时，最好选择20﹟钢的无缝钢管。工作管的焊接要采用对口焊接的技术，使用氩弧焊进行打底，电弧进行罩面，同时全部的焊缝要采用100%X光进行探伤检验。

2）外护管。外护管要选择具有一定刚度、厚度以及强度的钢管，并且要保证其能承受各种应力和动静荷载，同时还要具有防水防腐以及连续密封的功能。外护管优先采用高频直焊缝管或者Q235B螺旋焊接钢管。且外护管要采用搭接角焊的技术，并采用100%超声波进行探伤。

3）保温材料。保温材料应该要满足以下特征：导热系数小、机械强度好、耐热性能好、以及无腐蚀、不易燃等。

1.2 蒸汽直埋供热管道的保温结构

保温结构一般包括工作管、外护管、有机保温管、无机保温管以及防腐层、内滑动层、或者真空保护层等等。根据材料的硬度不一样可以分为“硬胎”和“软胎”的材料。一般来说，“硬胎”保温的结构主要是内滑动层，“软胎”保温的结构主要是外滑动层。

2 蒸汽直埋供热管道的施工设计

蒸汽直埋供热管道的施工是一个长期、系统的工程，具体来说，主要包括以下一些方面：

1）管道的安装。不同方式的安装对管道变形的释放程度和变形的大小以及管道应力水平的改变具有非常重要的影响。当前管道的安装主要有三种方式：（1）无补偿冷安装。无补偿安装处于两个固定墩之间或者处于锚固状态下的管道，其热胀变形无法被补偿装置吸收。（2）有补偿安装。有补偿安装的热胀变形可以被补偿装置吸收，其补偿装置是处于滑动状态下的管道。无补偿冷安装是当前最经济、最简易的安装模式，在强度条件适宜的前提下，应该优先选择，而有补偿安装由于增加了补偿装置的投资以及增加了管网的事故，适合在局部管段使用。（3）预应力安装。预应力安装指的是通过一次性补偿器采用的方式以及预热的方式来实现安装。这种安装方式实质上改变了管道的安装温度，使其等于预热的温度，以使管道的应力等于零，在管道的温度回复到环境的温度时，最终使管道产生相应的预应力效果。

无补偿安装和有补偿安装图如下（图1）显示。

2）管道的应力计算。管道的应力计算指的是一种先进的应力分类法。主要有三种，一次应力，二次应力与峰值应力。一次应力指的是由管道内部以及持续的外压所产生的应力；二次应力指的是由于管道受到约束，比如说管道由于热胀冷缩而变形所产生的一种应力；峰值应力指的是管道由于局部的热应力效应或者局部结构的不连续而产生的一种应力。管道的应力计算应该要满足以下要求：一次应力的量应该要在计算温度下钢材的基本许用应力之内；二次应力和一次应力的量的变化范围应该在钢材的基本许用应力的3倍以内；管道应力集中部位的一次应力、二次应力以及峰值应力的变化范围应该在钢材的基本许用应力的3倍以内。

图1 无补偿和有补偿安装

3）固定墩的设计。管道对固定墩的推力主要有以下几种：由于管道的热胀冷缩而产生的作用力，由于管道的内压而产生的不平衡力，以及由于管道活动端的位移而产生的作用力。在进行固定端两侧管段的作用力合成时，要遵照以下的原则：当两侧的管道在热胀的作用力以及活动端的作用力下合力相互抵消时，应该要用荷载比较小的力乘上0.8的抵消系数；而如果两侧的管道都属于锚固段，那么抵消系数的值为0.9；而当由于两侧管段摩擦力的下降所造成的轴向力变化造成了差异时，则按最不利的状况来进行合成。同时，固定墩的结构还应该要进行抗滑移验算、抗倾覆验算等稳定性的计算。而当前固定墩主要有以下六种常见的形式（图2）：

图2 蒸汽直埋固定墩的常用形式

4）管道的节点以及附件处理。管道的节点以及附件包括固定支座、补偿器、疏水装置、排潮管、阀门、弯头以及井室等。在进行管道的节点以及附件的处理时应该要注意以下一些方面：固定支座可以采用内固定型、外固定型以及内外固定型，在进行固定支座的操作时应该要使用隔热式的方式，保证和土壤接触处的外护管的温度在70摄氏度以上；采用外压式的波纹补偿器，并且将15%-20%的膨胀余量考虑进去，而补偿器的导流筒应该要选择3毫米以上的碳钢，补偿器的材料尽量要选择高猛不锈钢和超低碳的不锈钢，以防止不锈钢受氯离子的腐蚀；在蒸汽直埋管道的低点处，应该要设置启动和运行的疏水装置，设置疏水总阀、疏水罐、疏水器、隔断阀以及放水阀，同时疏水器应该要选择热动力式，而疏水的装置应该要在固定支座处设置；排潮管应该在固定支座附近设置，并采取可靠的保温防腐、防雨、防灌水以及防堵塞等措施；阀门最好是选择焊接无盘根的阀门，并且采用远方操作的模式，对阀门做好相关的防水防腐措施，再对阀门的两端外护的管道进行硬连接；蒸汽直埋管道的弯头也最好是选择纵缝热成型、加热推制成型以及煨制成型的弯头；而蒸汽直埋管道的井室应该要采用钢筋混凝土进行浇注，并设置两个井口，采用法兰密封，同时采取相应的防水措施。

图3 蒸汽直埋供热管道设计的整体流程图

5）管道的验收。蒸汽直埋供热管道的验收对蒸汽直埋供热管道的整体设计具有非常重要的意义。具体来说，蒸汽直埋供热管道工程的验收包括两大方面：土建工程的验收和安装工程的验收。土建工程的验收包括管沟挖掘面的尺寸、管沟的坡度与坡向以及回填土的夯实度与高度等；安装工程的验收主要包括管道轴线的偏差、管道安装的坡向与坡度、预制保温管线的外套管的防腐层保护等等。

整体来说，蒸汽直埋供热管道设计图如图3显示。

3 结语

由以上可以看到，蒸汽直埋供热管道由于具有自身独特的优势而越来越成为城市发展的需要。笔者认为，针对当前我国城市蒸汽直埋供热管道发展的一些不足之处，需要相关的人员进行进一步的技术研究和实践，做好管道的安装、管道的应力计算、管道的节点以及附件处理和管道的验收等方面的工作，发展出最优化的管道设计方案，最终实现我国蒸汽直埋供热管道技术的进一步成熟，推动我国城市建设的进一步发展。

［1］袁娜,单伟田.热水管道直埋敷设的分析和设计[J].安防科技,2009(10).

［2］施烨辉,何平,卞晓琳.拟建隧道下穿热力顶管的现状评估[J].北京交通大学学报,2010(04).