直埋蒸汽管道波纹补偿器事故处理

薛晓娟

摘要：文章针对操作温度200℃、操作压力1.27MPa、管径350mm直埋蒸汽管线设计条件，如何进行设计的一个工程实例作了介绍，对直埋蒸汽管道波纹补偿器的事故处理提供参考借鉴。

关键词：直埋管线；导向管架；轴向推力；蒸汽管道；波纹补偿器 文献标识码：A

中图分类号：TK284 文章编号：1009-2374（2015）19-0084-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.041

1 概述

当供热管道不具备采用直埋无补偿方式的条件时，如管道工作温度过高，难以找到热源，不能影响城市交通或管网分支较多等，可采用有补偿方式。采用有补偿方式的主要目的，是针对管道出现热伸长这个问题加以解决，其补偿方式可进一步划分为两种：（1）有固定点的补偿；（2）无固定点的补偿。

采用有固定点的补偿方式时，设管道最大安装长度为Lmax，则需要在补偿器两侧设立间距不超过Lmax的固定点，而固定点所承受的推力与架空或地沟敷设时的不同之处是将由活动支架的水平反力产生的水平推力改为土壤对管道的摩擦力。而在采用有补偿方式的基础上解决管道热伸长问题，则需要引入摩擦长度——Lf的概念，来进行土壤对管道摩擦力的计算。所谓摩擦长度是以管道自由端（如补偿器一端）为起点，向固定点方向到某一点的管段所产生的土壤对管道的摩擦力等于管道由热应力而产生的弹性力。这一管段将会产生热伸长运动并导致土壤对管道的摩擦力的产生。摩擦长度按下式计算：

式中：

△t——管道安装温度与实际工作温度之差

只有当管道达到工作温度，亦即管道与土壤间的摩擦力最大时，固定点承受最大推力。这是由于管道从安装温度至工作温度的升温曲线变化是渐变式的逐渐升温，因此能够参与管道与土壤摩擦的管段长度也是逐渐增加的。同时因为采用了有固定点的补偿方式，固定点所承受的推力会由于管道在工作温度下的实际热伸长量被补偿器所吸收，因而固定点所承受的推力会变小而成为一个恒定值，所以固定点承受暂时最大推力和恒定推力。设计时固定点的推力应选用暂时最大推力。

2 项目背景

蒸汽输送管线详细信息如表1所示：

表1

操作温度 操作压力 介质 管径

200℃ 1.27MPa 蒸汽 DN350

安装地点：西安经济开发区海红路。海红路宽40m，蒸汽管距马路中心线12m。

上述埋地管线的设计工作由机械电子工业部某设计研究院承担。甲方第一年先施工了大部分管线，结果通蒸汽运行后，出现波纹补偿器处撕裂的状况。第二年甲方委托我方对未施工的剩余管线重新进行设计（约630m），

但埋设方式、补偿器形式维持原有的设计风格。

3 情况分析

第一，直埋管道适用于输送低压蒸汽、热水、冷水、石油等气体和液体，广泛应用在热力管网、地热、直冷、市政建设、石油化工等工业部门。

第二，直埋管道设计及施工应遵守《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》《城镇供热管网设计规范》及《城镇供热管网工程施工及验收规范》中有关规定的条款。

第三，直埋管道的埋设深度，根据计算当覆土深度为0.5m时，其承载能力可保证载重10吨卡车安全通过，但一般规定直埋管道应埋设在当地的冰冻线以下。

第四，直埋管道的沟槽开挖尺寸，可按下列原则确定：管子与管子之间净距为200～250mm；管子与沟壁之间净距为200～250mm；管底与沟底之间净距为200mm；管顶与地面之间净距为600mm。

第五，补偿器可选用波纹补偿器、套管补偿器和方形补偿器，但波纹补偿器及套管补偿器必须置于检查井内，以便于检修。

第六，所有检查井（其中安装补偿器及阀门）都应采用混凝土浇灌的防水井，严防地下水渗漏到井内。

第七，直埋管道穿过公路时，应加套管或做成管沟。管沟上面铺盖钢筋混凝土盖板。

然后，依据甲方提供的某设计院所出的施工图纸后，再就管道埋设深度、管子壁厚、轴向力、最大安装长度分别进行计算，结果见表2：

表2

埋设深度 管子壁厚 轴向推力 最大安装长度

计算数据 1.1m 6mm 7吨 96m

实际数据 1.12m 7mm 50m

从上述条款及表2可以看出，某设计院所采用的各项数值均在安全范围内，可以认为管线产生的轴向推力不会导致波纹补偿器处出现问题，也就是说由于在设计中没有对管线产生的径向推力进行限位，从而造成管线上、下、左、右位移量过大，使得波纹补偿器处发生撕裂。

4 采取对策

通过以上的分析判断，基本上可以判定出现问题的根源在于整个管系的支撑体系有问题，即突破点在管系的固定管架、导向管架的设计。

5 解决办法

5.1 管系布置图

局部管系布置图如图1所示：

图1 管系布置图

5.2 安放固定管架和波纹补偿器

固定管架和波纹补偿器放在检查井内，其管架设计形式采用架空管道所用的支座类型即可。

5.3 导向管架设计

5.3.1 根据美国膨胀节制造商协会EJMA的标准装有波形膨胀节的管道，导向支架的设置应按图2所示：

注：D为管外径。

图2 装有波纹膨胀节管道的支架间距

第2导向架以后的所有其他导向架的最大间距应采用下面公式计算：

式中：

L——导向架的最大间距，m

E——管子材料的弹性模量，kgf/cm2（1MPa=10.2kgf/cm2）

I——管子的惯性矩，cm4

P——设计压力，kgf/cm2

α——膨胀节的有效面积，cm2

f——膨胀节每波起始的弹性系数，kgf/cm/波（1N=0.102kgf）

ex——膨胀节每波的轴向行程，cm/波

注：膨胀节受压时取（+）号，受拉时取（-）号。

5.3.2 固定、导向墩尺寸确定：

第一，固定、导向墩受力组合。固定、导向墩的结构尺寸必须保证它在各种力的作用下保持平衡和稳定。固定、导向墩主要受以下各种力：（1）正面的轴向推力H；（2）背面土反力Ep；（3）底部和支架两侧与土壤间的摩擦力F1；（4）支架上表面与土壤间的摩擦力F2。

第二，固定、导向墩抵抗推力计算。根据受力平衡，固定、导向墩抵抗推力按下面公式计算：

T=F+KEp

式中：

T——抵抗推力，kg（或t）

F——总摩擦力，kg（或t），F=μ（P+2Eα）

μ——土壤与混凝土摩擦系数，一般取0.6

P——固定、导向墩重+2倍支架上部复土重，kg（或t）

Eα=γH2tan2（45°-）B

Ep=γH2tan2（45°+）A

式中：

Eα——主动土压力，kg（或t）

Ep——被动土压力，kg（或t）

γ——土壤重力密度，取1800kg/m3

H——土体高度，亦即支架高，m

——土壤内摩擦角，取30°

B——支架正面宽度，m

A——支架侧面宽度，m

图3 固定、导向墩示意图

如保证固定、导向墩稳定，则：

T≥Hx

式中：

Hx——固定、导向墩承受的推力，kg（或t）

T——固定、导向墩抵抗推力，kg（或t）

设计中取A=1.5m；B=0.2m；H=0.5m；固定、导向墩埋深h=1.5m，经过计算轴向推力Hx=7t。

计算过程如下：

Ep=γH2tan2（45°+）A

=×1.8×0.52×tan2（45°+）×1.5

=1.01t

KEp=0.7×1.01

=0.71t

F=μ（P+2Eα）

Eα=γH2tan2（45°-）B

=×1.8×0.52×tan2（45°-）×0.2

=0.03t

F=0.6×[2（γ×A×B×h）+A×B×H×γ砼+2××γ×H2×tan2（45°-）×B

=0.6×（2×1.8×1.5×0.2×1.5+1.5×0.2×0.5×2+2×0.03）

=1.19t

T=F+kEp

=1.19+0.71

=1.9t

1.9t>0.2Hx=1.4t，故A=1.5m；B=0.2m；H=0.5m；h=1.5m时，作为导向管墩安全。

第三，导向支架形式。通常在架空或地沟敷设时，在水平管架上只允许有轴向位移而不允许有横向位移的地方，装设导向支架；可是具体到本设计中还应考虑到由于土壤条件变化，管线埋深变化对管线向上弯拱的影响，特别对长距离输送供热介质的管道，为了防止因轴向压力作用使管道失稳，向上弯拱产生塑性变形破坏等因素。所以，设计导向支架结构大样图如图4所示：

图4 导向架大样图

6 结语

自1998年至现在，管系运行状况良好，证明上述设计方案是可取的。

（责任编辑：秦逊玉）