长直管段管道补偿器移动异常情况分析

陈 鹏

(太原市热力公司，山西 太原 030001)

0 引言

按照补偿器的运行要求，停热后供热管道内温度降低至常温后，补偿器应复原，太原市热力公司2000年开始运行的一条支干线，2013年开始发现个别补偿器位移出现异常。管段情况为:该处管道为直线敷设直埋管道，敷设方向为由西向东，敷设方式为无人为固定直埋敷设。管线管径DN800，设计运行压力为1.6 MPa，设计供、回水温度为150 ℃/70 ℃，补偿器采用旁流无推力补偿器，型号为N-H-Ⅰ800-A-1.6-500;查阅资料得到DN800 供热管道内径Di=0.801 6 m，外径DO=0.82 m，管壁壁厚为0.01 m，保温管外径DC=0.96 m，该段地下水位的高度为Hw=1.5 m 左右，出现异常的为6号～10号小室之间的管段，小室内均为供水侧安装旁流无推力补偿器，回水侧不安装。

补偿器及小室情况见表1。

表1 补偿器及小室概况表

下面就对出现的情况进行分析。

1 对管道及补偿器的设计进行校核计算

1.1 进行安定性分析

该段管道安定性要求的最大据算温差计算公式为:

其中，［σ］为钢管的许用应力，采用125 MPa;α 为钢管的线性膨胀系数，采用12.6×10-6m/(m·℃);E 为钢管的弹性模量，采用196×109Pa。

由公式可知安定性条件仅与管道材料、设计压力及管道管径有关，当管道为DN800，设计压力为1.6 MPa，计算满足安定性条件允许的最大循环温差为132.1 ℃。本管段的设计供、回水温度为150 ℃/70 ℃，安装温度按照10 ℃计算，则供水管道的设计最大温差为150 -10=140 ℃，大于设计条件要求的132.1 ℃，回水温差为70 -10=60 ℃＜132.1 ℃;因此，供水管敷设不能进入锚固状态，回水管敷设可进入锚固状态。

1.2 进行最大过渡段长度的计算

从管线设计图纸可看出，该管段属于长直管段，敷设方式为直埋不设置人为固定，补偿器为双向补偿，最大过渡段长度的计算公式为:

其中，σt为环向应力，Fmax为低于地下水位的最小摩擦力，，N/m，μmax为最大摩擦系数，取0.4，μmin为最小摩擦系数，取0.2，σv为管中心土壤应力，与管中心及地下水位的相对位置有关，管中心低于地下水位，计算公式为:

其中，Hw为地下水位高度;ρs为水的密度，取1 000 kg/m3;ρt为土的密度，取1 800 kg/m3;K0为土壤静压力系数，K0=sinφ，φ取30°;G 为管道净重，取7 370 N/m;h 为管顶覆土高度。

计算结果见表2。

表2 计算结果

由计算结果可以得知，在埋深变化的情况下，该段管道最大过渡段长度的最小值为98 m，最大的补偿器间距为648.9 -518.9=130 m ＜2×98=196 m，即补偿器间距离均小于2 倍最大过渡段长度，所以该管段管道均处于弹性补偿状态，应力状态满足运行要求。

1.3 驻点位置及补偿量的验算

由于不存在人为固定，所以补偿器均为双向补偿，在两个补偿器间存在驻点，也称为虚拟固定，即从理论上首先要确认驻点位置。

驻点的计算公式为:

本段管道中均采用相同型号的旁流无推力补偿器，从理论角度讲，各个补偿器的摩擦力均相同。随着管道敷设深度变化，相关参数发生变化，此处的计算中，敷设深度按照比例变化，缓慢过渡处理，可计算出各个补偿器之间的过渡段长度(驻点位置)。由于管段处于弹性状态，则伸长量的计算公式为:

可计算各管段的最大设计伸长量，见表3。

表3 各管段的最大设计伸长量

通过计算可确定各补偿器间的设计计算驻点位置，8号小室补偿器的计算最大补偿量为40 +162=202 mm(补偿器为双侧补偿)，9号小室的计算补偿量为67+48=115 mm，补偿量为500 mm，则该处8号，9号补偿器的补偿量符合设计的要求。

通过校核计算，该段管线设计符合要求，补偿器异常与设计计算无关。

2 其他可能的原因分析

1)该管道实际运行期的最高压力在1.1 MPa～1.2 MPa，最高供、回水温度125 ℃/57 ℃，非运行期间采用湿保护，压力0.3 MPa，运行参数均在设计供热参数要求的区间运行。按照实际运行参数计算，相关数据也在设计参数范围以内。通过观察可看出管道有整体向西移动趋势，运行14 个采暖季后，整体的摩擦力降低，造成驻点漂移。

2)管道移动的主动力为一次应力(内压力产生的轴向力)及二次应力(热胀冷缩产生的轴向力)，被动应力为土壤摩擦力及补偿器的移动阻力，根据巡线人员的观察，该路段地下水位高低存在一定的波动，而影响管道移动的四个力中土壤摩擦力受到地下水位变化产生季节性波动，由于驻点位置的变化仅与摩擦力有关，因此当管段摩擦力发生变化时，就出现管段的驻点漂移。

整体分析，造成位移异常的原因为驻点漂移导致。管道经过长时间运行，管道的摩擦力降至最低，且沿管道敷设方向随地下水位、敷设深度和回填沙的情况发生变化，导致驻点发生漂移，致使补偿器的位移出现异常。

3 采取的措施及产生的变化

2013年发现补偿器位移异常后，受施工条件限制，无法对管段开挖处理，但补偿器的回缩量比较大，存在被拉脱的风险。最终采取了在8号小室内，从补偿器西侧断开主管与补偿器连接处，将补偿器人工复位后，在原管道与补偿器之间加焊管道的办法。通过2 个采暖季的运行，基本排除了补偿器拉脱的风险，但造成的结果为管道整体加长，驻点仍存在漂移，整体向西漂移的问题未得到解决。

4 今后设计、施工及运行过程中需要注意的事项

1)该系统设计运行参数中供水温度为150 ℃。在实际运行过程中，根据该公司的观察，当供水温度超过125 ℃后，供水管道的保温层碳化严重，由于供热管道均为长距离输送管道，设计运行温度过高也导致运行风险过大。经了解，现阶段一次网供热设计参数多数已调整为供、回水温度为130 ℃/70 ℃，在该设计参数下，大部分管道设计均可进入锚固状态，降低了安装投资，减小了系统的运行风险。

2)改大埋深敷设为浅埋敷设，在降低工程造价的同时，也降低地下水对管道伸缩的影响，降低小室内管道由于水浸泡产生的腐蚀。

3)管道施工过程中注意严格按照设计要求对管道周围进行回填砂，避免由于长期运行造成的回填黏性土形成的空腔，确保正常的管道摩擦力。

4)在运行过程中应加强对无固定直埋管段补偿器小室的运行检查，做好运行期间及停热后相关补偿设备参数的记录，确保设备运行的稳定、安全。

5)无推力补偿器的芯筒段必须及时进行保养，避免由于未保养造成的补偿器阻力过大，无法正常移动，致使形成长直管段，驻点发生漂移，将长直管段补偿量完全集中在正常伸缩的补偿器。

［1］王 飞.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，2014.

［2］王 飞，张建伟.直埋供热管道工程设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［3］贺 平，孙 刚，王 飞，等.供热工程［M］.第4 版.北京:中国建筑工业出版社，2009.