发电厂直埋供热管道的设计与施工探讨

2020-04-17潘八庆

工程技术研究 2020年4期

朱涛，潘八庆

（江苏宏鑫管道工程设计有限公司，江苏无锡 214200）

近年来，供热管网建设逐步成为重要的基础设施，是城市化进程加快的重要标志，也符合当前城市可持续发展的理念。供热管道敷设的方式具有多样性，尤其是对发电厂的长距离输送管道而言，直埋供热管道敷设是一种应用非常普遍的管道敷设技术，并且其可以获得良好的使用效果，具有占地少、施工周期短、热损小的特征。与其他管道敷设技术相比，该种施工技术的效益更高，可以保持发电厂良好的运行状态。

1 直埋供热管道的设计方法

1.1 直埋供热管道的荷载及应力特征

在直埋管道实际的施工过程中，常常将所有使管道产生内力或者应力的因素称为荷载，荷载超过规范标准允许范围就会导致管道的损坏。对供热管道而言，温度与压力是引发荷载的重要因素，轴向位移会产生一定的轴向摩擦力，侧向位移会对土壤产生一定的压缩力。在供热管道施工中，基于管道局部结构的差异性，在一些局部结构不连续区域内，往往会伴随着应力的过度集中现象，此时的应力为峰值应力，在一定的条件下，这种应力分布状态会引发管道的变形等现象。一旦在管道施工中存在循环变化的峰值应力，管道内部极易引发结构性破坏，对管道的正常供热等产生了极为不利的影响。另外，管道施工中，如果土壤对管道产生的支撑力较为均匀，在一定程度上也可以对管道起到必要的防护作用，使得管道施工中没有产生自重弯曲应力，避免了管道的损坏。从供热管道的类型来看，其所使用的管道的公称壁厚远远高于该压力下管道的计算壁厚，而此时，管道内压产生的实际应力远远低于管材本身的屈服应力。与此现象相对应，如果管道中的热胀变形的压力无法及时释放，就会使得管道内存在较大的热应力，一旦超过管材本身可以承受的极限，就会引发管道的破裂与变形。因此，在直埋供热管道的设计与施工中，温度是需要考虑的主要因素。

1.2 杜绝直管破坏的设计对策

基于直埋供热管道的荷载与应力特征，在直埋管道的设计上，应着眼于管道破坏的主要因素，采取必要的控制措施。

（1）避免循环塑形破坏的设计对策。管道温度的变化会引发管道的应力变化。具体而言，当管道温度处于循环的最高温与最低温变化状态下时，其所产生的应力波动也较大，在这种情况下，极易引发循环塑性现象的发生。因此，管道温度的变化是引发循环塑性现象的主要原因，无论是何种类型的管道都是如此。以热水或者蒸汽直埋管道为例，在热水管道安装过程中，如果处于锚固状态下的直管段满足不发生循环破坏作用的安全性条件时，锚固状态的管道允许安装与使用，此时的安装方式最好采用无补偿安装方式，反之就需要设置相应的补偿装置，来实现管段应力变化的调整，降低管道安装过程中循环塑性破坏发生的可能性；而蒸汽直埋管道只要注意在外套管中留有足够的空间，可使工作内管在膨胀时不受或少受限制，应力才可充分释放。

（2）杜绝整体失稳破坏的对策。直埋供热管道的设计中，不仅要考虑循环塑性对管道的损害，还需要考虑管道的稳定性。如果管道的稳定性不足，也会引发管道的破坏，造成供热系统的局部失稳而发生事故。通常情况下，维持供水温度在130℃左右，而管径大小控制在DN500以下，实施无补偿冷安装方式管道基本不会发生循环塑性变形或者破坏。但是，当管道的埋深在1m以上时，需要考虑管道的稳定性情况，避免其安装失稳。如果要在安装过程中实现对弯头、折角等部件的保护，在一些局部管段，往往需要设置补偿装置，采用有补偿安装方式。近年来，预应力安装方式可以有效应对安装失稳问题，但是其安装过程复杂、控制要求高、措施多，相应的费用也增加。因此，预应力技术逐步被其他安装方式所取代，比如可以通过增加覆土深度等来提升无补偿直埋管道的稳定性。

2 直埋供热管道的施工手段

直埋管道安装工艺较为复杂，在安装过程中要对安装方式加以科学选择。通常，无补偿的安装方式与有补偿的安装方式有所区别。无补偿应尽量利用土壤对管段的自然约束，设计安装时应适当加大管道安装深度，并在回填时对管段覆土进行均匀的夯实以避免管段的失稳；而有补偿直埋则为了降低工程造价，尽量减小管道的埋深，让管道的膨胀应力通过补偿器自然释放，并可减少土建的开挖量。

2.1 直埋供热管道的安装对策

发电厂长距离输送直埋供热管道敷设中，由于管道中的应力是热胀变形无法释放所产生的，因此，在管道安装与施工过程中，必须通过应用不同的安装方式来改变这种现象。不同的安装方式下，热胀变形大小与变形的释放程度可以得到调整与改变，改变管道原有的应力分布状态。对发电厂直埋供热管道施工而言，由于热胀变形大小与零应力状态所对应的温度之间存在着紧密的联系，通过对使用温度与安装温度加以对比分析，此时发电厂管道安装包含了冷安装与预应力安装两种。如果零应力状态下的温度与安装的环境温度相等，采用冷安装方式；而如果零应力状态下的温度与预热温度相同，则采用预应力安装方式；根据热胀变形的释放情况，一般可以分为无补偿与有补偿安装。

（1）无补偿冷安装。发电厂热水管道直埋无补偿安装适合管道无截面、无方向变化的长直段直埋管段。在进行管道的回填施工时，不需要进行预应力安装与补偿安装，主要是由于温度在变化的过程中，管段处于相对稳定的锚固状态。因此，从无补偿冷安装技术的应用效果来看，这一安装方式与其他安装方式最为明显的区别就是其安装操作相对简单，且安装的成本较低。但是，此种安装方式下，管道承受的应力较大，如果安装过程中管道的强度符合工程要求，这种安装方式所取得的安装效果明显。

（2）有补偿安装方式。在发电厂直埋供热管道的施工过程中，对于不满足上述要求的热水直埋及蒸汽直埋管道则更多地使用补偿器补偿技术。在这种安装方式下，补偿装置周围处于滑动状态下的管段属于有补偿安装，补偿器的存在会使得供热管道安装的总体成本上升，但相对来说大幅提高了电厂长距离供热直埋管道的使用安全性。

（3）预应力安装方式。预应力安装方式普遍应用于热水直埋管道安装中，在应用的过程中实现了管道安装温度的调整。因此，从预应力安装技术的应用效果来看，只有当管道的安装温度与预热温度相同时，应用预应力安装技术才最为有效，此时不存在管道应力。一旦管道的安装结束以后，预应力安装方式就可以充分发挥其技术优势。一般情况下，预应力安装通常通过预热与一次性补偿相结合的方式来实现。预热主要是在回填之前的过程，当管道安装温度与预热温度相同时再开始回填处理，此安装技术的核心是热源供应的充足性与及时性，管道安装现场要存在管沟的敞口现象。而一次性补偿安装主要是发生于管道回填之后，一次加热处理时，补偿管的热胀变形量与预热温度下的自由膨胀变形量等同时，方可进行一次补偿器的焊接。在温度不断变化的过程中，管道应力的分布逐步均匀，从而实现了良好的预应力效果。

2.2 直埋供热管道的布置与敷设方式

（1）做好选材工作。对发电厂直埋供热管道而言，由于其内压较低，这就使得如果内压导致总体一次薄膜应力在允许值的50%以下时，管道破裂发生的可能性就相对较低。为保证管道敷设的整体质量，保持供热系统的稳定运行，工程人员要加强对管道选材的管理，尽量选用受力均匀、塑性好的无缝钢管。

（2）布置管道的方式。设计规范中明确规定了发电厂直埋供热管道布设。在管道的布设上，施工单位要严格遵守其规定。如果发电厂直埋供热管道施工中，穿越河底的覆土深度要充分考虑管道的稳定性、水流冲刷等作用，管道上的阀门必须能够承受其轴向荷载，因此，尽量应用钢制阀门，连接中采用焊接的处理方式。在管道的一些特殊位置，比如壁厚变化区域内，要设置补偿器等。同时，严格控制管道的安装误差，如表1所示。