冻土地区村镇给水管道保温层厚度数值计算

王 炎 白 莉 化亚魏

(吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春 130118)

0 引言

我国多年冻土地区主要分布在东北、青藏高原、祁连山、天山、阿尔泰山等地区,其面积约为185 km2～190 km2,占我国总领土的19 %～20 %[1].截止2010年,全国农村自来水普及率已达到75 %,到2015年,我国农村要基本解决饮水安全问题[2].目前，我国农村居住人口数为80 739万人[3],处于冻土区的村镇人口约为12 210.85万人,受给水管道冻胀危害影响供水安全的人口占我国人口总数的9.56 %.因此,保证村镇饮水安全供应关系民生,对于促进社会主义新农村的建设,进一步缩小城乡差距,保证农村经济可持续发展具有重要的意义.

1 冻胀原因分析及防范措施

1.1 村镇给水管道发生冻胀现象的主要原因分析

(1) 给水管道埋深不够. 土壤受室外环境温度的影响,会产生一定深度的冻土层.由于各地气温不同,冻土深度也不同.一般情况下,给水管道应敷设在冻土线以下,以免发生冻胀.但据我们调查掌握的实际情况看,东北三省村镇给水管道一般埋深在1.5 m～2.0 m左右,有接近30%的村镇给水管道埋深没有到达当地的冰冻线以下；

(2) 间歇供水方式加剧了管道冻胀现象发生. 东北地区村镇供水多采取间歇运行的方式,系统停运期间,滞留于管道中的水受到管道周围低温土壤温度场的影响,温度逐渐降低,当水温低于零度时,就会在管道内结冰冻胀；

(3) 管道管壁受力不平衡. 当地下水位发生升降时会产生纵向的弯曲应力,导致管道管壁受力不均匀,从而引起管道的断裂,这种现象冬季尤为严重.

1.2 给水管道防冻胀措施

将给水管道敷设到当地冰冻线以下是解决冻胀问题的根本措施,但由于地下水位过高及当地施工条件等原因限制,难以保障给水管道基本埋深,对于这种情况,直埋管道外加保温层技术是最有效解决村镇给水管道的防冻胀技术措施.

2 管道保温厚度计算

根据传热学的基本原理可知,保温层的厚度取决于管内介质、管道材料及保温材料的热物性.本文将利用数值分析的方法,分别计算出不同材质常用规格的给水管道,采用不同保温材料时的保温层厚度.

2.1 埋地管道周围土壤温度场的数值计算

在数值计算土壤温度场时,我们做出以下假设:① 土壤是各向同性的均质半无限大物体;② 不考虑水分垂直运动对土壤温度的影响;③ 边界条件是周期性变化的.运用一维导热微分方程表达如下:

(1)

式中,T为土壤的瞬时温度,℃;τ为时间,s;α为土壤热扩散率,m2/s,计算时取值0.617×10-6m2/s;x为管道埋设深度,m.

周期性变化边界条件可看做是一个简谐波,这样半无限大物体温度可以写成余弦函数形式如下:

(2)

式中,θ=τ-τm,表示任何时刻的过余温度;Aw表示半无限大物体的温度波振幅,等于年最低温度与年最高温度之和的二分之一.

用过余温度代替温度,可将导热微分方程改写如下:

(3)

运用分离变量法求解,可得到半无限大物体在周期性变化边界条件下的温度分布,即土壤在不同埋设深度的温度分布表达式如下:

(4)

在x埋深处土壤温度随时间的变化如下:

(5)

2.2 不同城市埋地管道温度场分布

根据上述公式及表1气象数据[4],分别计算出了长春,沈阳、哈尔滨和大庆地区埋深0.5 m～3.0 m的土壤温度(如图1所示).分析计算结果可得到如下结论:

(1) 埋深在0.5 m～3.0 m的区间内,土壤温度呈线性变化.

(2) 将周围边界条件设定为该地区的冬季采暖室外计算温度时,可得到长春、沈阳、哈尔滨和大庆地区的冰冻线,分别为-1.66 m,-1.25 m,-2.19 m和-2.23 m,与文献[4]基本相符,误差在5 %以内.

表1 气象数据

2.3 管道保温层厚度数值计算

管道保温层厚度可按文献[5]中给出的延迟管内介质冻结保温层厚度公式计算如下:

(6)

图1 长春、沈阳 哈尔滨和大庆地区0.5m～3.0m的土壤温度场

式中,δ为保温层厚度,m;λ为选用保温材料的导热系数,w/(m·℃),工程上常用的保温材料有硬质聚氨酯泡沫塑料和硬质聚苯乙烯泡沫,其导热系数分别为0.033 8和0.042;K为支、吊架影响修正系数,一般室内管道为1.2,室外管道为1.25,选取1.25;Z为保持不冻结的时间,h,按最不利工况考虑,选取12 h;t0为周围环境温度,直埋管道埋深处土壤温度计算,℃,计算参照图1的结果;t4为水的终温,考虑一定的富余值选取2 ℃;t1为管道内水温,℃; 按12℃(按最不利)取值;G1,G2为分别表示单位长度管内介质重量和单位长度管道材料的重量,kg/m3;C1,C2为分别表示管道内介质的比热容和管道材料的定压比热容,水的比热容为4.186 kJ/(kg·k),管材分别采用铸铁管和铝塑管,其定压比热容分别为0.46 kJ/(kg·k),2 kJ/(kg·k);R1为管道保温层外表面到周围空气的放热阻力m·℃/w ,DN 50管道放热热阻为0.2 m·℃/w,DN 70管道放热热阻为0.18,m·℃/w,DN 100管道放热热阻为0.15 m·℃/w和DN 125的为0.13 m·℃/w;D为管径,计算时分别选取了DN 50,DN 70和DN 100三种不同规格.

2.4 管道保温层厚度

根据公式6和图1所示的温度,笔者分别计算出了长春地区、沈阳地区、哈尔滨地区和大庆地区采用直埋管道外加保温层防冻胀技术所需的保温材料厚度(由于篇幅限制,本文仅给出长春地区图线),如图2所示:

分析图2,可以得到结论如下:

(1) 当管道材料、管径与保温材料确定时,管道的厚度仅取决于周围土壤温度.保温层厚度随着土壤埋深的增加而减小,即保温层厚度与周围土壤温度成反比;

(2) 当管道材料、管道埋深与保温材料确定时,此时保温层厚度仅取决于管径的大小.保温层厚度随着管径的增加而保温层厚度增大,即保温层厚度与管径大小成正比;

(3) 当管道材料、管径与管道埋深确定时,此时保温层厚度仅取决于保温材料的热物性.选取硬质聚氨酯泡沫保温材料相较于选取硬质聚苯乙烯泡沫保温材料,其管道保温层的厚度要小,这说明当其他条件不变时,管道温厚度与保温材料的热物性有关.

图2 长春地区直埋管道保温厚度

3 结语

“保温”被称作第五能源,将保温技术运用直埋管道有益于节能降耗.这种技术方法对于解决我国东北地区村镇给水管道冻胀现象是行之有效的.不仅能有效减少管道的热损失,防止冻胀现象出现.同时还能增强管道防腐性能,延长管道使用寿命;并且由于降低了管道埋深,减少了土方工程量,管道施工维修方便,在经济上也具有一定的优越性.

参 考 文 献

[1] 孙 亮,祝进兵,卢雪松,汪 飞.多年冻土地区冻胀的危害与防治措施[J].中国水运,2007(1):91-92.

[2] 中国卫生事业发展“十二五“规划发展纲要[R].http://www.chinanews.com/gn/2012/10-19/4261451.shtml

[3] 易延生.加快农业和农村经济发展的紧迫性及政策建议[J].技术经济,2002(10):31-32.

[4] 许居宛.机械工业采暖通风与空调设计手册[M].同济大学出版社,2007:1220-1245.

[5] 陈耀宗.建筑给水排水设计手册[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.