某大型集中供热热力网管线设计

于 蕾

(太原市热力设计有限公司，山西 太原 030012)

在城镇热水热力网管道敷设的时候，高温热水直埋管道由于不占用地上空间、不需要在地下建地沟、造价低、防腐绝缘性能好、使用寿命长、占地少、施工周期短、减少施工扰民等优点，从而具有显著的社会效益、经济效益和节能效益。所以，在热水热力网管道地下敷设时，直埋敷设方式在城市集中供热中被广泛采用。直埋敷设热水管道应采用钢管、保温层、保护外壳结合成一体的预制保温管道。

在进行城市热力网直埋热水管道设计的时候，需要根据其具有的特点而采取相应的措施，需要注意以下几个方面:由于土壤和保温层外表面的摩擦力限制直埋敷设的供热管道的自由伸缩，所以在直管段上，管道热胀冷缩时无法克服土壤与管道之间的摩擦力，出现了“锚固段”，在锚固段的管线完全处于锚固状态，管道的热伸长应变完全变为轴向应力留存在管壁上，所以在进行直埋热水管道设计计算时，应对锚固段的应力进行详细验算，管线上设置阀门的时候，避开在锚固段安装阀门;直埋供热管道弯曲部分敷设在土壤上面时，由于摩擦力约束作用的影响，当管道热伸长时，直埋管道仅使弯头附近很短的直管引起侧向位移，使热变形集中在弯头附近，使得弯头受挤压变形而出现显著的侧向位移和扁平变形，所以对弯头部分要进行应力验算，在设计中，通常将弯头的管子壁厚增加2 mm，并且在弯头处采用软回填的方式减小土壤与管道之间的摩擦力，从而保证供热管道运行中的安全。在三通设计过程中，三通处应力集中，受力较大，在设计中应加大三通主管壁厚，提高三通的总体强度，在开孔处采取必要的加固措施从而减少三通开孔处的变形。

供热管道在运行中，钢管的热胀冷缩是不可避免的，所以不论是有补偿安装还是无补偿安装，都需要设置补偿器来吸收管段的热变形。总结近几十年的运行经验，在供热管网设计中，补偿器同样也是整个供热管网中的薄弱环节，一旦补偿器出现变形导致漏水，都会对管段甚至整个供热管网造成影响。在设计中，应尽量减少补偿器的设置，尽力创造条件采用无补偿敷设。无补偿敷设即在长直管线上不专门设置补偿器，只有自然形成的弯管补偿器，或者自然形成的弯管补偿器不能满足要求时设置少量补偿器进行保护。

在设计中，采用无补偿直埋敷设的方式。大大减少了补偿器和固定墩的数量。但为了确保阀门、三通和弯头在管道的热胀冷缩中不会受到损坏，需要设置补偿器和固定墩加以保护，充分利用土壤的摩擦力来减少固定墩和补偿器的数量。在供热管网运行过程中，地下水渗漏进小室中，从而导致补偿器和阀门等管道附件锈蚀、漏水，因此保证小室内的干燥也是设计人员需要重点考虑的问题，采用成品的刚性穿墙止水套管，能够有效防止地下水渗漏至小室中，保证供热管道小室内的干燥和管道附件的安全。

下面以我院设计的一个工程实例对大型集中供热热力网的设计进行简单介绍。

1 工程概况

管网设计压力1.6 MPa，设计供回温度130 ℃/70 ℃，设计管径为700，设计供热能力为370 万m2，设计热负荷为236 MW，DN700 主管线设计长度为5 km。管线设计采用无补偿直埋敷设方式进行设计，因地制宜选取合理的设计方式。采用供热直埋管道设计计算软件对工艺管道模型进行应力计算，在尽量减少补偿器使用的情况下保证了管道的安全。由于部分管道在高架桥下敷设，根据管线综合多次调整管位，充分发挥自然补偿的优势并保证弯头的安全。供热管线沿线管位复杂，由于并州路全线为快速路，大路口高架，小路口平交，地形反复变化，供热管线根据管线综合多次变换管位。当管位变化较大时，充分利用管线的自然补偿;当管位变化较小，需采用必要措施对弯头进行保护，减小弯头应力变形。

采用顶管方式穿越部分障碍管线及路口。选用优质穿墙止水套管及进口焊接蝶阀，保证小室内干燥及供热系统的安全。本工程供热主干线全线在城市主干道下敷设，地下敷设有城市的雨水管、污水管、给水管、煤气管以及各种电缆等。前期需尽可能核实各类管线信息，认真勘测，设计精心布置管线标高，合理避让了各种交叉与冲突，本着设计先行的理念，充分做好前期工作，降低工程难度，缩短工程时间。

2 管道设计

设计参数取用表见表1。

表1 管道设计参数取用表

管道采用预制保温管，钢管为螺旋焊缝钢管，材质为Q235B，DN700 钢管壁厚为10 mm。

1)无补偿管段的应力验算。

对于DN700 管道，计算可得:

因此可以进行无补偿冷安装。

2)无补偿管段整体稳定性验算。

管道最大轴向力:

初始挠度应按下式计算:

当f0＜0.01 m 时，f0取0.01 m。

垂直荷载应按下式计算:

其中，GW为每米长管道上方的土层重量，N/m;G 为每米长预制保温管自重(包括介质在内)，N/m;SF为每米长管道上土方的剪切力，N/m;K0为土壤静压力系数;φ 为土壤的内摩擦角。

直埋置管段上的垂直载荷应符合下式要求:

对于DN700 管道，根据以上公式，当管顶覆土为1.5 m 时可满足竖向稳定性要求，本设计覆土H≥1.5 m，可满足要求。

3)无补偿管段局部稳定性验算。高温水直埋管道(Q235 钢)锚固段轴向失稳的临界径厚比，其值为Rm/δ ＜40.1;DN700 保温管，Rm/δ=34.13 ＜40.1，满足要求。

4)弯头设计。管道弯头选用焊制或冲压弯头，三通均采用跨越型式，焊缝探伤要求符合Ⅱ级标准。弯头应力计算公式如下:

根据上述计算，本工程在无补偿直埋敷设的主干线段弯头采用R=3.0DN 的预制保温弯头，其他支线弯头采用R=1.5DN 的预制保温弯头，支线分支开口处采用R=1.5DN 的压制弯头。弯头许用应力为375 MPa，各个弯头计算结果均满足要求。

5)三通设计。开口分支处主线位移小于50 mm，满足规范要求，三通均加强，采用肋板加强式加固方案。

6)补偿器验算。管网补偿器补偿量验算需乘以安全系数1.2，DN700 套筒补偿器补偿量为400 mm，补偿器吸收热伸长均不超过该值，满足要求。

7)阀门设计。阀门都与补偿器相连接，阀门采用金属硬密封焊接阀门，主线锚固段内不设置阀门。

3 管线参数设计

1)保温管外壳与土壤单长摩擦力计算:

本设计管顶覆土H 取1.5 m，最大摩擦系数取0.4，最小摩擦系数取0.2。

计算得最大单长摩擦力:Fmax=36 278.4 N/m。

最小单长摩擦力Fmin=18 139.2 N/m。

2)屈服温差计算:

计算得ΔTy=106.51 ℃。

3)过渡段最大长度:

当t1－t0＞ΔTy时，t1－t0=ΔTy。

计算安装温度取－5 ℃。

供水管130 ℃，t1－t0=135 ℃＞ΔTy。

计算的过渡段最大长度Lmax=298.8 m。

4)补偿器拉脱距离:

a.盲板力按管道截面积计算:

b.弯头两侧与补偿器距离:

L=(最大盲板力)盲板力/管道最小摩擦力=51.2 m。

4 结语

在设计中通过增加弯头、三通的壁厚，对三通开口处进行加强处理，适当运用固定墩和补偿器来保护三通和弯头的安全，采用金属硬密封焊接阀门，主线锚固段内不设置阀门以及在管道穿小室的地方采用成品刚性穿墙止水套管的方法，能充分保证供热管网在运行中的安全。通过三个采暖季的运行检验，该设计的DN700 供热管线没有发生任何问题，证明了我们的设计是合理的，安全的，也证明了只要技术问题处理得当，管径已经不是直埋技术的主要问题。通过技术人员的不断努力，大管径热水管道的直埋技术会越来越完善。

［1］王 飞，张建伟.直埋供热管道工程设计［M］.第2 版.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［2］CJJ 34—2010，城镇供热管网设计规范［S］.

［3］CJJ/T 81—2013，城镇供热直埋热水管道技术规程［S］.