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直埋供热管道设计

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供热 管道 设计
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热水直埋供热管网的设计 天津市热电设计院 李春庆 1 概述: 国内外直埋技术的发展已有 60 余年的历史,由于直埋管道具有不影响环境美化、施工简便、工期短、维修工作量少的特点,因此特别是近三十年来热水供热管道直埋敷设发展迅速,相应形成了一整套直埋敷设的设计原理和计算方法。 80 年代初,我国首次在一些城市的热网工程中采用从北欧国家引进的直埋保温管进行直埋敷设,经历了二十年的发展,无论在预制保温管的生产和安装技术上,还是在直埋供热管网的设计理论和方法上,我国的供热管道直埋技术都得到了飞速发展,直埋敷设现已成为我国城市热网的主要敷设方式。 早在 70 年代, 北京煤气热力设计研究院就将当时已应用于火力发电厂汽水管道上的应力分类法推广到直埋供热管网上,其最显著的特点是对温度应力采用安定性分析,这样,直管段通常可采用既不预热也不补偿的无补偿冷安装方式。然而,在 80 年代中,我国很多的直埋供热管网使用的都是从北欧引进的预制保温管,这样,很多设计单位也相应地采用了北欧的弹性分析法进行直埋管网设计。采用弹性分析时,为保证管道始终处于弹性状态, 直管段通常要采用设置补偿装置、 预热或设置一次性补偿器的安装方式。进入 90 年代,多年的直埋热网运行经验,让我国大多数设计人员认识到,在直管段对温度应力采用弹性分析的确过于保守,越来越多的设计人员开始应力分类法进行直埋管道的强度设计。此时,北欧也已意识到这一点, 1993 年版的《 热手册》中介绍了一种管道应力已超过弹性范围的冷安装方式,接着在 1996 年版的欧洲标准《区域供热整体式预制保温管的设计、计算和安装》和 1997 年为解释该标准而出版的《集中供热手册》中则明确地提出应力分类法。 1999 年,在唐山市热力公司、北京市煤气热力设计研究院、哈尔滨建筑大学和沈阳市热力设计研究院等单位的努力下,历经六年的国家行业标准《城镇直埋供热管道工程技术规程》( 81布实施,标准明确规定了采用应力分 类法进行直埋热力管道的强度设计,标准的颁布也标志着我国直埋管道设计理论进入了国际先进水平。但目前国内《规程》中所给定的管道受力等计算图表中数据均限制管径在 下。然而随着我国供热事业的飞速发展,规程适用范围已不能满足实际热网的需要,城市热网 的最大管径都超过 此必须找到一种能适用于大口径直埋管道的设计方法。 本文从直埋 管道强度计算的基本原理出发,对直埋供热管道特别是大口径直埋管道在设计中所需考虑的问题介绍了几点体会,供参考。 2 直埋供热管道的应力: 对于直埋管 道来说无论其管径多大,管道所产生的应力主要是管内介质的内压力和管道发生轴向位移时的土壤轴向摩 擦力,还有管道发生侧向位移时的土壤侧向压缩反力。内压力所产生的一次应力和土壤侧向压缩反力引起的管道二次应力的计算方法按照现有的《城镇直埋供热管道工程技术规程》( 81行计算,但土壤轴向摩擦力引起的一次应力在现有的《规程》中忽略了管道本身自重的影响,这在小口径直埋管道强度计算中是没有问题的,但对于大口径直埋管道由于管道本身自重大,当管道发生轴向位移时,由自重产生的管道与土壤之间摩擦力不可忽略。按照文献 [1]的介绍,摩擦力的计算公式中应当考虑管道自重这一项,即: f =μ [πρ g(H+)] 其中: f— 轴线方向每米管道的摩擦力, N/ m; μ— 外管壳与土壤的摩擦系数; ρ— 土壤密度, 般砂土取 1800 g — 重力加速度, m/ H— 管顶覆土深度, m; 预制保温管外壳的外径, m; G— 每米预制保温管的满水重量, N/ m。 管道轴向应力:σZ= F/ A σZ— 管道轴向应力, F— 管道轴向力, N; 对于处在过渡段的管道 F =f· L , L— 过渡段长度, m; A— 钢管管壁横截面积, 通过计算,对于 预制保温管埋深在 时,由管道自重引起的轴向应力约占上式计算轴向应力的 10%左右。 3 直埋管道的安装方式: 目前国内对直埋管道的安装方式通常主要有以下几种: 热安装 在管道安装 完之后覆土之前,管道进行预热(也可以在预热之前将管线覆土,仅在补偿器附近的沟槽处敞口)。管道被加热到预热温度时,保持温度恒定,将一次性补偿器焊死,接着进行覆土,待整个预热段全部回填完后,再开始降温。 补偿安装 在管道安装 时,为保证管道由温升引起的二次应力和由内压引起的一次应力的综合应力不超过钢材的许用应力,因此在管道系统中设置膨胀弯、补偿器等吸收管道热膨胀的补偿元件,使钢管始终处在弹性范围内工作。 安装 冷安装方式是 中供热手册中提出来的,其允许钢 管的最大轴向应力为325管道系统中不设补偿器,也不进行预热,但冷安装对施工安装要求较高。 4 直埋管道安全状态的分析: 对于 上的大口径直埋供热管道, 与小口径的直埋管道设计中强度计算原理是相同的,都需要通过强度验算看管道能否处于安全状态,但对于大口径直埋管道在设计中除了按照《城镇直埋供热管道工程技术规程》中规定对管道进行强度条件计算外,通过对管道安全状态的分析,还应考虑管道局部失稳、截面椭圆变形等的影响,这两点在 下小口径直埋管道设计中往往是可以不考虑的。下面对直埋管道的安全状态进行详细分析: 度失效 根据作用的 不同(荷载)的不同,管道中的应力可以分为一次应力、二次应力和峰值应力,每种应力都可以引起不同方式的破坏。 a) 塑性流动:内压产生的一次应力,满足静力平衡条件,所引起的变形具有非自限性。当一次应力超过屈服应力时,管壁会产生较大的塑性变形(塑性流动),塑性变形的进一步增加,可导致爆裂或断裂。 b) 循环塑性变形:温度变化产生的二次应力,满足变形协调条件,所引起的变形具有自限性,变形的同时总能使应力下降,反过来又使变形不在发展,故二次应力只会产 生有限的塑性变形。然而,这种塑性变形会造成管壁内部结构一定程度的损伤,循环往复的塑性变形将使管道发生破损。在管道的使用期间内,当循环变化的压力和温度所产生应力(一次应力及二次应力)变化范围超过了两倍的屈服应力时,将产生循环塑性破坏(在升温过程中的压缩塑性变形和在降温过程中的拉伸塑性变形)。 c) 疲劳破坏:应力集中通常发生在弯头、折角、大小头及三通等管件处。在温度和压力变化过程中, 应力集中引起的峰值应力, 只在很小的局部范围内产生循环塑性变形。一方面,该区域是被弹性区域包围的,故不会引起爆裂或断裂;另一方面,塑性变形对钢材的损伤作用,使管道经历了一定的运行周期后,产生疲劳破坏。峰值应力的变化范围越大,疲劳破坏所经历的周期就越短。 定失效 从整个管线 看,管道属于杆件;从管道局部看,管道属于薄壁壳体。当热力管道处于受压状态时,将可能出现两种不同方式失稳破坏。 整体失稳:在轴向压应力作用下,由于压杆效应,可能会引起管线的整体失稳。 局部失稳:在轴向压应力作用下,管壁可能出现局部皱结,引起局部失稳。 除上述失效 方式外,横断面上的土壤荷载和交通荷载也会使管道截面产生椭圆化变形,过大的椭圆化变形也会使管道产生破坏。 5 大口径直埋管道的设计要点: 当管道的管径不大于 ,管道只会出现无限塑性流动、循环塑性变形、疲劳破坏和整体失稳,而不会有其它方式的破坏出现。针对这种情况,文献 [2]给出了相应破坏方式出现的强度条件。当上述强度条件得到满足时, 下的管道将处于安全状态。 当管道的管径大于 ,除上述破坏方式外,局部失稳和截面椭圆变形出现的概率将大大增加,会成为大口径直埋管道的主要失效方式。那么,需要针对这两种方式建立新的强度条件,并使管道满足上述条件,则管道处于安全状态,这时,大口径预制保温管的直埋敷设是可行的。 a) 局部失稳:文献 [1]给出了验算钢管管壁局部稳定性的强度条件。产生局部失稳的因素是管道的轴向应变,轴向应变取决于热胀变形的大小和热胀变形的释放程度。由于冷安装方式的下的管道温升大于预热安装方式下的管道温升,故预热安装方式下,热胀 变形量较小,热胀变形的释放与管道补偿状态有关,有补偿管段的释放程度要大于无补偿管段的释放程度。另一方面,局部失稳的可能性还与管道的截面性有关,在轴向应变相同的管道中,随着管壁的增厚而局部失稳的可能性减少,而随着钢管平均半径的增大而局部失稳的可能性增大。计算方法如下: 计算极限状态应力时: ≤ 则:σZ 334 > 则:σZ [9250(δ/ 计算极限状态温差时: ≤ 则:Δ T≤ 130℃; > 则:Δ T≤ [3500(δ/ 8 ] ℃; 式中: 钢管的平均半径, m; δ— 钢管的壁厚, m; σZ 管道最大轴向应力, Δ T— 管道工作与安装温差,℃。 b) 椭圆化变形: 文献 [3]给出了验算土压力和车辆荷载作用下控制钢管截面椭圆化变形的稳定条件,即保证钢管截面椭圆化变形不大于钢管外径的 30%。产生径向变形的主要原因是管道上作用的垂直荷载,包括随埋深增加而加大的土壤荷载和随埋深增加而减小的车辆荷载。同样,还与钢管的截面参数有关,在相同的垂直荷载作用下,平均半径越大,径向变形越大,管壁越厚,径向变形越小。当埋深较浅或较深时,应适当加大钢管的壁厚,这样才能保证局部失稳的要求。 6 设计实例: 天津市杨柳青电厂供热管网于 1997 年开始设计,并于当年开始施工, 1999 年正式向市区供热,根据市规划、道路等有关部门的要求,市区管网主支干线只能采用直埋敷设方式,其中 管道长度约为 10 公里,热网设计供水温度 150℃,供水压力 材材质取用 ,管顶埋深在 1m~3m 之间。 通过验算, 由于供水温度高,管道安定性条件已不能满足,因此在杨柳青电厂供热管网中采用了有补偿设计,固定墩与补偿器间的距离 L 计算方法如下: L≤〔3[σ]- σt〕A• 106/( 式中:L —设计布置的固定墩和补偿器间距离; [σ] —钢材计算温度下的基本许用应力; σt —管道内压引起的环向应力; 管道的最大单长摩擦力。 采用的有补 偿直埋敷设方式中补偿器的布置方式及管道工作时的应力分布如下简图所示: 当采用图 1 中的直埋管道安装方式时, 管道内的最大轴向应力σZ 定墩处应进行强度条件验算;同时由于管径大,钢管相对来说是薄壁壳体必须再对管道的局部失稳问题按前述公式进行校核计算。 固定墩处的 应力必须同时满足以上两种校核计算结果,并以此为依据来确定固定墩与补偿器间的距离。 文献 [3]介绍在温度的变化过程,在管道结构不连续处产生峰值应力如:弯头、三通、大小头和折角等处,会引起管道的疲劳破坏,即低循环疲劳破坏。如果将应力释放那么就可以将其避免。杨电供热管网的主干线采用了有补偿直埋敷设方式,将管系的应力水平降低了很多, 但由于天津市地下各种管道非常复杂, 即使采用了有补偿直埋敷设方式,某些局部的应力水平仍很高,对这些部位采取了以下措施加以解决: a) 使用大弯曲半径的弯头,所有直埋管道大口径的弯头,头的壁厚比相同管径的钢管壁厚多 2 毫米。同时在管道安装完回填砂以前在 弯头附近一定范围的弯臂内设置泡沫垫片,增加弯臂吸收变形的能力。 b) 在大口径直埋管道上设置的三通采用带加强板的三通,三通支管距主管固定点10~ 12 米,当距离较大时在支管一定长度内设置泡沫垫片保护三通。在三通支管上还设置补偿器或 Z 型弯降低三通处的应力, 一般支管上设置的补偿器或 Z 型弯距分支点 20~25 米。 在部分三通 支管管径较小时,也采用了平行三通的布置方法,这种方法在所抽支管过较宽马路时特别实用,因为过路时往往所给的工期很紧,在马路上设置补偿器或固定墩都很困难。 c) 在大小头管径较大一侧设置固定墩,管径较小一侧设置补偿器,补偿器与固定墩间的距离可按前述的方法进行计算。 d) 当管道在地下敷设时,由于有地下障碍物或马路本身有弧度,管道在敷设时会产生折角。根据文献 [3]的介绍,对于竖向折角 ,曲率半径在下的情况,度 150℃时,循环终温为 10℃,预制保温管为聚乙烯外护、聚氨脂保温,得出的结论:随着埋深的增加,锚固弯矩逐渐呈线形减小,且大循环工作温差的递减速率大于小循环工作温差的递减速率,因此在条件允许的情况下,埋设的深一些(必须保证预制保温管的正常工作),既有利于管道的竖向稳定,又有利于管道的强度,增强竖向折角管段的承载能力;折角角度对锚固弯矩也有着影响,随着折角的增大,锚固弯矩也逐渐增大,在折角为 15~25°范围内时弯矩达到最大值。对于不同的循环工作温差,弯矩变化的性态大致相同,只不过随着温差的增加,随折角变化,弯矩增加或减小的速率增大;煨制弯头改变曲率半径不会改变受力状况,但能改变应力分布及应力变化范围,也就是说,改变曲率半径对改变弯头的强度具有显著的效果,而不能改变其轴向力。 在管道布置 中应在大折角附近的直管段上设置补偿器,或将大折角分解为几个小角度的折角。 当有几个大折角相距较近时, 将这些大折角都分解为小角度的折角会很困难,这时可以采用大弯曲半径的曲管代替大折角,从而避免了折角处由于应力集中而产生低循环疲劳破坏或局部失稳破坏 8 大口径直埋管道其它设计问题: 道壁厚:管道壁厚按照《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定》进行计算,而在计算管系中固定墩处的综合应力和局部失稳时是在此壁厚的基础上进行的,直埋管 道由于土壤的均匀支撑,管道自重没有产生弯曲应力,这部分计算可以忽略。因此管道的壁厚仅与内压力和管系内最大综合应力及管道抵抗局部失稳的能力有关,壁厚增加则管道布置时一定程度上可以增加固定墩与补偿器的间距,但增加了钢耗量。通常按内压计算出的壁厚为管道的最小壁厚。 体失稳:对于大口径有补偿直埋敷设管道,由于补偿器的设置、管径大而且埋深通常在 以下,经对管道整体稳定性进行验算后,在上述条件下大口径直埋管道不会产生整体失稳的现象。 循环疲劳分析: 对于大口径直埋管道当车辆的重量通过车轮和土壤作用在车行道下的管道上时,使管道局部截面产生椭圆化变形,特别是在管道过路时其作用更加明显。因此对大口径直埋管道设计时在车辆行驶频繁、车辆荷载大的路段有意识加大管道的埋深。在一些特殊的路段,当管道埋深很浅时采用了在此段管道上做混凝土板承受车辆荷载的方法。 门的保护:在大口径直埋热网中应采用焊接式蝶阀,这是因为蝶阀体积小,减小了阀门井的宽度和高度,适合在市区地下管道错综复杂的马路下使用。在阀门附近的直管段上设置补偿器以防止阀门因应力过大而产生较大变形和破坏。 9 探讨与建议: 从直埋管网 系统的角度,在管网中是否设置补偿器或补偿弯管,不仅决定于直管的强度和稳定条件,而且还取决于连接直管的管件强度。当直管段可以采用无补偿冷安装时,并不能说明整个热网都可以采用这种安装方式,为了使管网系统中的管件处于安全状态,有时还必须根据管件的强度来决定是否设置补偿装置。因此,从系统组成的角度,在适当的管段选择不同的安装方法是直埋供热管网设计的关键。 尽管在《城 镇直埋供热管道工程技术规程》规定了应力分类法的强度设计理论,但很多具体的设计方法还有待进一步完善。在规程中只给出了直管的循环塑性变形和整体失稳的设计模型,以及弯头疲劳分析的计算模型,而没有给出直管的局部失稳,以及折角、大小头和三通等管件的强度设计模型。在设计时,由于无法判别这些管件是否处于安全状态,就盲目地设置补偿器和固定墩来保护这些管件,这样,既增加了管网的投资,也降低了管网的可靠性。在使用补偿器时,还应避免进入误区。补偿器本身也是管网系统中极易损坏的附件,它在解决管道强度问题的同时,也增加了管网的事故概率,大量 的使用补偿器,仅仅是使问题从管道转移到补偿器上,使责任从设计单位转移到生产厂商上,管网的可靠性并没有增加。因此,完善管道及管件的强度计算模型,合理地管道及管件的结构,以充分利用其自身的承载能力,简化管网的构成,才是直埋供热管网系统设计的研究与发展方向。 在直埋热网 中,虽然管件所占的比例不大,但对直埋管网的安全起到举足轻重的作用。但我国至今还没有自己的预制管件产品标准,我国的预制保温管件生产处于十分混乱的状态,有的直埋热网工程甚至直接在现场焊接和发泡管件,质量难以保证,对直埋管网的整体密闭性造成威胁。使用工厂预制的保温管道和管件是直埋管网使用寿命的重要保证之一,同时,在现场连接管道和管件的接头也是至关重要的。现场接头质量不好,会导致土壤中的水分渗入,导致钢管的腐蚀破坏。因此,接头也可以看成是直埋管网中的重要管件,当然也需要有相应的标准作为质量保证。另外由于直埋管道直接埋设在土壤中,故检修工作较为困难。在国外,已广泛采用了报警系统来监测渗漏事故,而我国到目前为止,还没有一个管网系统真正使用了报警系统,一旦出现事故,很难被发现,后果不堪设想。在相应的规范中,将报警系统作为管网系统的必要组成部分也是十分必要的。 从管网实现的角度,产品、设计、安装和运行等四个环节又形成了一个纵向的网络,其中每一个环节对热网的安全起着同等重要的作用,忽视网络中的任何一个环节,就不会建成优质的直埋热网工程。 a) 合格的产品是管网工程的基础:由于预制保温管生产具有较高的投资回报率,在我国存在上百家的保温管厂,生产规模和质量也有天壤之别。有些管厂的保温层和外套管很难满足标准要求,劣质的高密度聚乙烯外壳起不到整体防水作用,极易产生腐蚀破坏,而低粘结力的保温层使预制保温管无法形成三位一体的结构,使钢管产生无法预知的热胀变形,或者使补偿器产生过量位移,或者加大管件的应力水平。因此,采用符合产品标准的预制保温管是优质直埋管网工程的基础,使用劣质的保温管将会后患无穷。 b) 合理的系统设计是管网工程的必要条件:管网设计要跳出直管可不设补偿的误区,从整个管网系统的角度,既要分析直管的强度,又要分析管件的应力,以确定不同管段所采用的设计方法。对二次管网可不作设计的观点也是极其错误的,直管是没问题的,但在管网中若采用强度特性不好的管件,如小曲率半径弯头和普通三通,从疲劳分 析的结果可看出,这些管件的疲劳寿命都不能满足规定的使用寿命。 c) 现场安装是管网工程的保证;除接头外,加软垫片和填砂也是十分重要的。在弯头和三通支管附近,加设垫片和加宽沟槽是十分必要的,这样可以保证管道能够产生一定的侧向位移。管道周围填砂可提供所需的土壤摩擦力,也能避免高密度聚乙烯外壳的破坏。此外,当现场管道埋深加大时,也要及时与设计人员联系,以便采取措施保证管道能够产生侧向位移,否则,保温层存在被压坏的可能。 d) 平稳运行是管网工程的保障:管网的运行状况对管网安全的影响往往被人忽视,对于相同的热网,在连续运行和间歇运行工况下,两者的情况是不同的。温度变化频繁,将加大钢管的损伤, 也就容易破坏。 弯头在高温的城市热网上可能没有出问题,而在低温间歇运行的热网上却很有可能出现疲劳破坏,这一点已在许多热网工程中得到证实。因此,在供热调节时,应避免热网水温频繁变化。 关于大口径 高温热水直埋管道在国内外其它地方也有过应用,随着人民生活水平的提高,集中供热将会有更大的发展。直埋管道在象天津这样地下水位高、地下管网复杂的地区必将得到广泛的应用。 以上只是本人在实际设计中的几点体会,不妥之处希望同行给予批评指正。 参考文献: 1 1997. 2 城镇直埋供热管道技术规程 (81北京,中国建筑工业出版社, 1998 年 . 3 王钢,贺平等,直埋敷设热力管道强度设计方法及安装方法,区域供热, 1998 年4 期, 3~ 8 .
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