大管径长输热网特殊节点处理及保温管道设计

2023-08-08闫雪娇

粘接 2023年7期

关键词：穿越

闫雪娇

摘要：以某长输供热管网工程为主要研究对象，分析长输热网特殊节点处理和保温管道设计，管道特殊节点主要包括河流节点、穿越城市道路、铁路等环境；而保温管道设计主要有外保护层、保温层制造工艺选择、壁厚选型、工作管钢材选型等环节组成。基于此，合理控制管道材料、钢管壁厚、应力计算等，增加管道的保温性能。试验表明：当管道材料高于DN250、敷设方式选择直埋方式时，能有效控制钢板滑动支架和阀门表面温度，延长管道使用年限。

关键词：长输热网；穿越；工作管；外护层；保温结构

中图分类号：TQ341

文献标志码：A

文章编号：1001-5922（2023）07-0194-03

Treatment of special nodes of large diameter and long heat transmission network and design of thermal insulation pipeline

YAN Xuejiao

（Beijing Changhua Survey and Design Co.，Ltd.，Beijing 100043，China

）

Abstract：Taking a long-distance district heating pipeline project as an example，the special node treatment and insulation pipe design of long distance heating net work was analyzed.Special pipeline nodes mainly include river nodes，roads crossing cities，railways，etc.The design of thermal insulation pipeline mainly includes the selection of outer protective layer，manufacturing process of thermal insulation layer，selection of wall thickness，selection of working pipe steel and so on.To achieve this，the study emphasizes the need to properly control the pipeline material，the thickness of the steel pipe，and stress calculations to enhance the insulation performance of the pipeline. Results showed that when the pipeline material was higher than DN250，and the direct burial method was selected as the laying method，it could effectively control the surface temperature of the steel plate sliding support and valves，thus extending the lifespan of the pipeline.

Key words：long-distance heat transmission network;crossing;working pipe;outer sheath;thermal insulation structure

目前，北京市城区外主热源到主城区长输热网项目之间的总长度为17.5 km，其中DN900主干线长度为5 km，DN1200主干线长度为12.5 km，回水温度60 ℃、供水温度、设计压力2.0 MPa。针对该种情况，工作人员将供热管道铺设置非机动车道下面，通过直埋铺设方式进行铺设，该项目从2018年3月正式开始设计，一直到同年的11月份全面投入运行。本文根据项目基本情况，全面分析长输热网特殊节点处理方式，加强保温管道设计工作［1］。

1 特殊节点处理

1.1 穿越城市道路

主干线与城区道路连接处6处。供热管道穿越城市道路时，主要采用人工顶管方式施工，其人工顶管施工成本较机械顶管成本低，可应用于大卵石地面，优点是噪音小，施工方便。此外，工作人员在过路供热管道中采用供、回水管道，并利用钢质外护套管方式进行全面保护，DN900管道应用D1520×18钢套管；DN1200管道采用D1820×20钢套管［2］。

1.2 穿越鐵路

在穿越铁路施工过程中，要提前上报到政府部门进行审批，等到审批合格后才能正式进行施工操作。利用现有铁路预留箱函穿越供热管线，再用D1520×22螺旋焊缝钢管作为外护套，分设钢质外护套，供、回水管线；钢材使用的是L360；采用3PE加强级外防腐的管道外壁；采用喷锌工艺处理管内壁；辐射交联聚乙烯热收缩套，用于外护套焊缝接头处的防护。同时，要建立牺牲阳极的阴极保护措施，保证外护套的使用寿命，再用C30混凝土将箱涵与外护套之间的空隙填满，当所有的穿越过程全部完成时，就完成了对箱涵的封堵［3］。

1.3 穿越河流

穿河供暖管道是利用C30钢筋水泥箱涵进行穿越作业，在河道冲刷深度下2 m处设置箱涵。这样的渡江方式，对河道不会造成任何遮挡，对河道行洪也没有任何作用。由于河道松软，在进行箱涵基础处理时，混凝土支模浇筑工作仍无法通过常规的方式实现，尽管已经采取了降水措施。因此，在过江工程中，可采用抛石挤淤处理地基的技术，选取直径300 mm以上的石块，从高边坡脚填入低边坡脚，待石块露出江底淤泥后，再用小石块平整后，再进行地基处理［4］。

2 大管径长输热网保温管道的安全状态

2.1 应力验算

（1）一次应力是指管道在内压作用下产生应力和外在持续力，工作人员最常用弹性分析和极限分析进行应力分析。同时，在计算应力验时，要确保应力当量应力低于钢基本应力。（2）二次应力是指管道受抑制而产生的应力，其中热胀冷缩应力最为常见，是具有变形自限性特征，工作人员要利用安定性计算对应力。而安定性表示结构在未产生任何塑性变形时，管材自身残留应力状态下，经有限塑性变形后，仍可在弹性状态下稳定下来。但在计算应力性考试时，工作人员要先计算温度基本许用应力，其一次应力和二次应力数量和低于钢材3倍。（3）尖顶应力是指因局部结构出现不连续热应力作用，无形中增加管道上所产生的应力数量。其特点是不会造成明显的变形，必须根据管道的整个使用期限所受的循环荷载进行疲劳性分析，这是一种可能导致疲劳裂纹或脆性破坏的原因。但是，对于低循环次数的供暖管道，可以使用简化公式，计入应力加强系数进行应力验算，例如在管道上出现峰值应力的三通、弯头等局部应力集中的地方。应力性考试的计算标准是：计算温度下钢材基本许用应力不应大于一次应力、二次应力和峰值应力的当量应力的3倍。因此，新规程增加了对管径大于500 mm管材进行局部稳定性验算和径向稳定性验算的规定。通过规程规定的验算方式，只会出现上述几种破坏形式，待条件具备后，管材才会处于安全状态。

2.1.1 稳定性验算

由于受到管壁受力状态影响，其从原本压应力平衡向受弯曲应力平衡方向发展，这种全新的平衡方式在外压作用下，往往管道的强度足够，但突然失去了原来的形状这就叫不稳定，甚至不稳定失效。当埋设管道的介质温度升高，管道中就产生了轴向压力，管道就有倾向于凸出，使管道向轴的法线弯曲，这种倾向就叫做管道的整体不稳定。埋地管道正常情况下在地下保持稳定，是因为管道周围有土壤的约束。受压管道在横向约束最弱的区域内失去稳定性，当周围土壤约束力较小或因周围开挖而减小时。竖向不稳定和设计不规范具有直接联系，工作人员要在竖向稳定性验算公式中进行计算，并给出准确要求。

2.2 保温管道设计

2.2.1 工作管

钢材。针对城市供热直埋热水管道设计过程中，要利用DN250以上使用螺旋焊缝钢管，常用钢材有L290、Q235B、Q335N；而面对DN200及以下则采用无缝钢管，选择20钢。从化学成分角度分析，L290和Q335B的各项指标控制要比Q235B指标更加严格；站在力学角度进行分析，Q355B和Q235B相比，前者抗拉强度、屈服极限更高；从物理特征角度而言，对城市供热直埋热水管道，Q355B受热伸长量较低，更能满足物体变形协调要求［6］。因此，工作人员在应用Q235B钢材时，要将其应力控制在125 MPa，极限屈服为235 MPa，线膨胀系数12.2×10-6 K-1；L290钢材许用应力138 MPa，线膨胀系数为11.1×10-6 K-1，屈服强度290 MPa［5］。

2.2.2 钢管壁厚

直埋热水管道的热伸长量、管壁厚度计算及盈利验算根据《城市供热直埋热水管道技术规范》来实施。正常情况下，管道壁厚限制因素有很多，如安定性、应力验算、局部稳定性验算、整体稳定性验算等，并考虑到大管径管道抵抗局部屈曲、管道磨损、腐蚀等，安装方式则利用无补偿安装，安装温度选择10 ℃［6］。3种钢材工作管计算壁厚如表1所示。

对于该项目，当工作管使用类型为Q235B时，DN1200供、回水管的取用壁厚分别是14和16 mm；当DN900供、回水管时，取用壁厚全部选择12 mm。当工作管使用L290时，DN900供、回水管的取用壁厚取10 mm，当其是DN1200时，供、回水管的取用壁厚是12和14 mm。当工作管利用Q355B时，DN900供回水管取用壁厚是10 mm；当DN1200时，壁厚分别是12、14 mm［7-9］。

2.2.3 工作管购置费

在设计压力2.0 MPa条件下，可将Q235B的工作管购置费定在5 830×104元。而当使用Q355B、L290时，由于工作管壁厚度逐渐降低，工作管购置费不升反而有所降低。通过综合考虑各方面因素后，选用Q355B工作管钢材最为划算［7］。

2.3 外护层、保温层生产工艺

保温层厚度根据《城镇供热直埋热水管道技术制度》所提供的方法来计算。除控制保温层外表面温度不应高于50 ℃后，还要按照《工业设备及管道绝热工程设计规范》来实施，将最大允许热损失小于104 W/m2［8］。在计算过程中，DN值为1 200 mm供回水管道水平中心距离1.72 m，土壤热导率在1.5 W，DN900供回水管道水平中心距离区1.45 m，聚氨酯保温材料热导率0.033 W/（m·K），管顶覆土深度在1.5 m（如表2所示）。

在保温层厚度一致的情况下，表3、表4为外护层和保温层的传统管材工本费和喷涂缠绕工本费；单价指单位长度费用，包括外护层和保温层。

3 敷設安装方式

目前国内直埋热水管道采用的是明沟对于直埋式热水管道，以管网设备少、建设周期短、成本低、运行成本低等优点，首选无补偿的冷安装方式。但由于该项目受道路曲折及两侧管线所限，且直管最长段不到400 m，直埋式热水管道在下穿路口等地下管线复杂地段时，必须下翻下穿，高差达到7 m，采用无补偿冷安装的方式无法更好地进行。所以这个项目采取的是固定墩+补偿器的组合。虽然该项目采用的是固定墩与补偿器相结合的方式。但利用套筒补偿器、球形补偿器和直埋管锚固段合理布局，减少固定墩和补偿器，固定墩最大距离达到870 m，并不是很多设计单位采用管网每隔120 m左右设置一个固定墩和补偿器的方式。补偿器、固定支座数量大幅减少，建设期缩短，工程成本降低［10-11］。

4 结语

本文通过对北京市城区外主热源到主城区长输热网项目进行分析，来发现长输热保温管道设计和特殊节点处理的工艺，从而给建设具体项目提供丰富的数据资源，确保工程项目的可持续发展。

【参考文献】

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