大管径供热管道采用管道桥跨越河流设计要点

赵 建, 李 飞, 许国春, 张雯雯, 于洪浩, 谢晓洁

(1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司 第一设计研究院, 天津 300381;2.郑州热力集团有限公司, 河南 郑州 450000)

1 概述

2017—2021年,北方地区新建供热管网8.4×104km。2021年末,全国城市集中供热面积106.03×108m2,同比增长7.30%。随着我国城市供热的发展,用户附近小型分散热源逐步被远距离热电厂取代,长距离集中供热已成为我国供热的发展趋势。随着输送距离变长,供热面积增长,供热管道管径也在逐步增大,国内长输供热管道最大规格已达DN 1 600 mm。

目前,国内针对长输供热管道在敷设过程中采用不同方式穿跨越特殊节点已进行了大量研究。文献[1]以太原市集中供热管道顶管穿越东环高速公路为例,介绍了管道下穿现状高速公路的技术措施,并确定了工程的安全风险等级,提出了一系列安全风险的控制措施。文献[2]结合工程实例,对DN 1 400 mm供热管道盾构穿越大型河流的施工方案进行比选,并对最佳施工方案的整体设计、弯头应力计算等设计要点进行分析。文献[3]针对某供热管道水平定向钻穿越河流工程,确定钢管壁厚、设计穿越轨迹、进行钻机选型,并对管道回拖工况下的应力和径向屈曲失稳进行校核,提出施工注意事项。

本文以某长输供热工程为例,分析DN 1 600 mm大管径供热管道采用管道桥跨越河流的设计要点。

2 工程概况

2.1 项目概况

郑州某长输供热工程,路由长度约60 km,以电厂为起点敷设两根(1供1回)DN 1 600 mm供热管道至市区隔压站。设计压力2.5 MPa,设计供、回水温度130、30 ℃,设计质量流量18 060 t/h。整体直埋敷设,局部架空敷设。

2.2 跨越河流概况

跨越点位于新密市,跨越河流为天然深谷型河道,跨越处河道开口平均宽度120.0 m,河底平均宽度8.0 m,两岸为高台地,岸顶高程约250.0 m。河底最低点高程224.73 m,总冲刷深度1.46 m。河流为非通航河流。

CJJ 34—2022《城镇供热管网设计标准》第8.2.12条规定,供热管道河底敷设,穿越不通航河流时,管道(管沟)的覆土深度在稳定河床底1 m以下。根据跨越河流信息,若采用直埋敷设、顶管敷设,在满足上述标准要求的前提下管道高差大、施工难度大。而跨越处具备新建管道桥架空敷设的条件,且符合防洪评价要求。因此,采用管道桥架空敷设。

3 跨越方案设计

① 管道桥结构

管道桥为预应力混凝土桥面连续T形梁桥,桥梁与河道正交,桥梁全宽8.9 m,全长165.0 m,桥面标高245.32 m。桥梁设计使用年限100 a,桥梁结构设计安全等级为一级。

② 供热管道布置

供回水供热管道工作管规格均为D1620×20,材质为L360M,压力等级为2.5 MPa。保温结构形式为:工作管+聚氨酯保温层+高密度聚乙烯外护管+镀锌钢板保护管。供回水管的管中心距为3.9 m,架空供热管道桥面布置见图1。

图1 架空供热管道桥面布置

管系模型见图2。图2中,红色部分为架空管道,蓝色部分为直埋管道。管系采用自然补偿。节点A、D为曲率半径3.5倍公称直径的90°弯头,节点B、C为曲率半径2.5倍公称直径的90°弯头,弯头壁厚均为24 mm。架空管道采用滑动支座、导向支座支撑。导向支座均位于桥墩顶部位置,用于限制管道在y轴正负方向的位移,共设6组,其他均为滑动支座。架空管道设置第1组、第6组导向支座的位置距架空管道端点距离均为2.5 m,滑动支座、导向支座间距均为5 m。

图2 管系模型

③ 支座结构

滑动支座、导向支座结构分别见图3、4。滑动支座由弧形托架与工作管连接,弧形托架与支座底板之间为钢质肋板。支座底板与聚四氟乙烯滑块接触,构成滑动连接。导向支座与滑动支座结构相似,不同的是在支座y轴正负方向增设导向挡板,防止管道滑脱支座。此外,为避免运行中轴向热伸长过大导致支座底板移出聚四氟乙烯滑块[4],第1组、第6组导向支座增设轴向限位挡板(图4中未表示)。

图3 滑动支座结构

图4 导向支座结构

4 软件建模计算

① 模型建立

采用专业的管道有限元分析软件Start对管道应力进行验算。由于供水管工作温度高,承受的应力水平比回水管高,因此将供水管道作为研究对象。由Start软件建立的管系模型见图5。直埋管道管顶覆土厚度2 m,弯头A、D曲率半径为5 600 mm,弯头B、C曲率半径为4 000 mm。架空管道支座间距5 m,支座底板与聚四氟乙烯滑块接触面积为0.42 m2,摩擦系数为0.2,导向支座y轴正负方向允许滑动间隙均为30 mm。管道为冷安装自然补偿。运行压力为2.5 MPa,安装温度为10 ℃,工作循环最高温度(取设计温度)为130 ℃。130 ℃下钢材许用应力为153 MPa。

图5 由Start软件建立的管系模型(软件截图)

软件按照CJJ/T 81—2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》进行直埋管道校核分析,按照DL/T 5366—2014《发电厂汽水管道应力计算技术规程》进行架空管道校核分析。

② 管道应力验算

应力验算的目标是判别管道各节点一次应力、二次应力是否满足相关标准的判别要求。一次应力主要由管道内压、自重及其他持续外载产生,特点是变形非自限性,一次应力比二次应力危害更大[5],验算的关键是校核支座间距以及管道壁厚。二次应力主要由管道受热膨胀产生,主要表现为变形引起的疲劳破坏,验算关键是防止因循环塑性变形造成疲劳破坏。

对于直埋管道:一次应力的当量应力不应大于钢材许用应力。一次应力和二次应力的当量应力变化范围不应大于3倍钢材许用应力。局部应力集中部位的一次应力、二次应力和峰值应力的当量应力变化幅度不应大于3倍钢材许用应力。

对于架空管道:管道在工作状态下,由内压产生的折算应力不得大于钢材在设计温度下的许用应力。管道在工作状态下,由持续荷载即内压、自重和其他持续外荷载产生的轴向应力和不得大于钢材在设计温度下的许用应力。管系的热胀应力范围应满足DL/T 5366—2014第7.3.5.1款的验算要求。

由验算结果可知,管系各节点的计算一次应力、二次应力均小于对应的许用值,符合验算要求,说明管系在设计状态下应力水平良好。

③ 支座受力计算

滑动支座受力主要由管道重力和管道热位移产生的摩擦力组成,导向支座受力除上述2项外,当管道沿y轴正负方向的位移大于设置的允许滑动间隙(30 mm)时还受到水平径向(y轴正负方向)推力。由计算结果可知,管道重力形成的竖直荷载分布均匀。

受管道热位移影响,支座受到的摩擦力分为轴向(x轴正负方向)和水平径向摩擦力。由计算结果可知,水平径向摩擦力较小(导向支座仅存在摩擦力,未产生导向挡板对管道的反力)。由计算结果可知,管道支座受力均匀,满足安全要求。