供熱管道熱補(bǔ)償方式在工程應(yīng)用的優(yōu)選

摘 要

摘要：對(duì)管溝敷設(shè)供熱管道的熱補(bǔ)償方式優(yōu)選原則進(jìn)行了探討。結(jié)合工程實(shí)例，討論了在復(fù)雜敷設(shè)條件下，補(bǔ)償管段劃分及補(bǔ)償器選取對(duì)固定支座推力的影響。通過合理劃分補(bǔ)償管段、布置
摘要：對(duì)管溝敷設(shè)供熱管道的熱補(bǔ)償方式優(yōu)選原則進(jìn)行了探討。結(jié)合工程實(shí)例，討論了在復(fù)雜敷設(shè)條件下，補(bǔ)償管段劃分及補(bǔ)償器選取對(duì)固定支座推力的影響。通過合理劃分補(bǔ)償管段、布置補(bǔ)償器可有效消除內(nèi)壓產(chǎn)生的不平衡力，減少大推力固定支座的數(shù)量，降低施工難度、工程造價(jià)。
關(guān)鍵詞：大管徑；補(bǔ)償管段；熱補(bǔ)償方式；大推力固定支座
Optimal Selection of Thermal Compensation Methods of Heating Pipeline in Engineering Application
BAI Liying，SUN Lei，F(xiàn)ENG Jibei
Abstract：The principles for optimal selection of thermal compensation methods of heating pipeline in-duct installation are explored.The influences of division of the compensation sections and selection of compensator on the thrust for fixed supports under the complex installation conditions are discussed with an engineering example.Dividing the compensation sections and installing compensators rationally can effectively eliminate the unbalanced force resulting from the internal pressure，reduce the number of high thrust fixed supports and decrease the construction difficulty and the engineering cost.
Key words：large diameter；eompensation section；thermal compensation method；high thrust fixed support
    城鎮(zhèn)供熱管道當(dāng)采取管溝敷設(shè)方式時(shí)，必須采用固定支座將供熱管道劃分成若干補(bǔ)償管段，根據(jù)實(shí)際情況采取補(bǔ)償措施。熱水供熱管道運(yùn)行壓力較高，由于補(bǔ)償器的設(shè)置而產(chǎn)生的內(nèi)壓不平衡力較大。如果固定支座兩側(cè)的內(nèi)壓不平衡力不能相互抵消，管道固定支座推力則可能很大，對(duì)于大管徑高壓力管道固定支座(以下簡(jiǎn)稱大推力固定支座)的推力更大。在復(fù)雜的敷設(shè)條件下，合理劃分管系、布置補(bǔ)償器可有效地使內(nèi)壓不平衡力互相抵消，進(jìn)而減少大推力固定支座的數(shù)量。本文對(duì)供熱管道熱補(bǔ)償方式在工程應(yīng)用中的優(yōu)選進(jìn)行探討。
1 熱補(bǔ)償方式
    管溝敷設(shè)管道布置靈活，運(yùn)行期間易于發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，便于維修，適用于供熱范圍廣、管徑大、壓力高、對(duì)安全可靠性要求高的工程。管溝敷設(shè)供熱管道須利用固定支座和熱補(bǔ)償裝置將整個(gè)管系分為若干熱補(bǔ)償管段，用熱補(bǔ)償裝置吸收管道溫度變化引起的熱位移。
    在供熱管道熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)中，在同一補(bǔ)償管段中最為經(jīng)濟(jì)的是采用自然補(bǔ)償方式，當(dāng)自然補(bǔ)償不能滿足條件時(shí)，設(shè)置補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償。
   ① 自然補(bǔ)償
   當(dāng)管系中存在轉(zhuǎn)角管段時(shí)，可利用轉(zhuǎn)角管段的撓曲變形補(bǔ)償熱位移，以減少補(bǔ)償器的數(shù)量，但補(bǔ)償量有限。自然補(bǔ)償在廠區(qū)架空管道及庭院管道中應(yīng)用較多，沿市政道路敷設(shè)的供熱管道，由于受條件限制，只有局部可以采用自然補(bǔ)償方式。
    ② 補(bǔ)償器補(bǔ)償
   設(shè)置補(bǔ)償器是吸收管溝敷設(shè)供熱管道熱位移的有效方法，波紋管補(bǔ)償器在供熱工程應(yīng)用廣泛，在工程中常用的類型為外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器、鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器、復(fù)式拉桿型波紋管補(bǔ)償器：外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器吸收軸向熱位移，補(bǔ)償量比較大，應(yīng)用在長(zhǎng)直管段上。鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器以角位移的方式吸收平面彎曲管段的熱位移，補(bǔ)償量大，補(bǔ)償距離長(zhǎng)。復(fù)式拉桿型波紋管補(bǔ)償器以橫向位移方式吸收平面或立面彎曲管段的熱位移，補(bǔ)償量一般不大。
   ③ 熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)
    對(duì)于長(zhǎng)直管段應(yīng)考慮采用外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器。管道布置中有平面彎曲管段或豎向彎曲管段時(shí)，可采用自然補(bǔ)償、鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器及復(fù)式拉桿型波紋管補(bǔ)償器。特殊情況下，考慮其他補(bǔ)償方式。
2 固定支座推力組成
   ① 管道熱脹冷縮受約束產(chǎn)生的作用力只，對(duì)于管溝敷設(shè)等效為滑動(dòng)支座摩擦力在管道中產(chǎn)生的軸向力，計(jì)算式為：
    Ff=μWL    (1)
式中Ff——管道熱脹冷縮受約束產(chǎn)生的作用力，N
    μ——鋼管與滑動(dòng)支座間的摩擦系數(shù)，一般取0.3
    W——管道單位長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)重量，N/m
    L——管道自由端至固定端的距離，m
   ② 內(nèi)壓不平衡力FA的計(jì)算式為：
    FA=p0A    (2)
式中FA——內(nèi)壓不平衡力，N
    p0——管道工作壓力，Pa
    A——對(duì)于采用外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器的
    管段，為波紋管有效截面積，m2
    內(nèi)壓不平衡力由波紋管有效截面積及工作壓力所決定，對(duì)于長(zhǎng)直管段，內(nèi)壓不平衡力可完全抵消。但在復(fù)雜的敷設(shè)條件下，內(nèi)壓不平衡力難以抵消，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量控制該力的出現(xiàn)。
    ③ 活動(dòng)端位移產(chǎn)生的作用力，即由于管道熱脹冷縮導(dǎo)致波紋管、彎管等變形而引起的作用力。波紋管補(bǔ)償器活動(dòng)端位移產(chǎn)生的作用力FK的計(jì)算式為：
    FK=KX△L    (3)
    △L=αlL△t    (4)
式中FK——活動(dòng)端位移產(chǎn)生的作用力，N
    KK——波紋管彈性剛度，N/mm
    △L——補(bǔ)償管段實(shí)際伸長(zhǎng)量，mm
    αl——鋼材的線膨脹系數(shù)，K-1，取0.0125K-1
    △t——管道循環(huán)工作溫差，℃
    固定支座推力計(jì)算需根據(jù)固定支座兩側(cè)補(bǔ)償段的劃分及補(bǔ)償類型的選擇，綜合分析上述3種作用力，進(jìn)行力的合成計(jì)算。供熱管道熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)決定了固定支座的數(shù)量和推力，是固定支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
3 熱補(bǔ)償方式優(yōu)選
    當(dāng)直管段熱補(bǔ)償方式采用外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器時(shí)，在直管段與彎曲管段連接處存在內(nèi)壓不平衡力，此處設(shè)置的固定支座稱為大推力固定支座。對(duì)于大管徑、高壓力的供熱管道，大推力固定支座結(jié)構(gòu)龐大，施工難度大，造價(jià)高。因此盡量減少大推力固定支座數(shù)量，就成為管系設(shè)計(jì)的一個(gè)重要課題。下面分析彎曲管段采用不同的熱補(bǔ)償方式對(duì)管系布置的影響。
   ① 采用自然補(bǔ)償
   自然補(bǔ)償利用彎管自身的柔性進(jìn)行熱補(bǔ)償，補(bǔ)償能力較小。當(dāng)彎曲管段兩側(cè)直管段均較長(zhǎng)時(shí)，直管段需要設(shè)置外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器，在彎頭附近設(shè)置大推力固定支座，彎曲管段采用自然補(bǔ)償是經(jīng)濟(jì)合理的方案。
    ② 采用鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器
    鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器一般由3個(gè)組成1組，補(bǔ)償器分別安裝在轉(zhuǎn)角管段兩側(cè)的管道上，利用3個(gè)補(bǔ)償器在不同方向的角位移進(jìn)行熱補(bǔ)償。調(diào)整3個(gè)補(bǔ)償器之間連接管道的長(zhǎng)度，可改變鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器組的補(bǔ)償能力。鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器還分為平面型和萬向型，平面型在每個(gè)補(bǔ)償器上有1組鉸鏈，補(bǔ)償器兩側(cè)管道的熱伸長(zhǎng)方向與3個(gè)補(bǔ)償器組成一個(gè)平面，可補(bǔ)償2個(gè)方向的熱伸長(zhǎng)；萬向型在每個(gè)補(bǔ)償器上有2組鉸鏈，可補(bǔ)償立體管系的熱伸長(zhǎng)。因此，采用鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器時(shí)，管系布置靈活，補(bǔ)償能力大，適用范圍廣。在存在平面彎曲管段或豎向彎曲管段時(shí)，充分利用鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器，可加大補(bǔ)償段長(zhǎng)度，減少大推力固定支座數(shù)量。
    ③ 采用復(fù)式拉桿型波紋管補(bǔ)償器
    復(fù)式拉桿型波紋管補(bǔ)償器安裝在與直管段垂直方向的管道上，利用補(bǔ)償器的橫向位移進(jìn)行熱補(bǔ)償，補(bǔ)償能力大于自然補(bǔ)償方式，但只能補(bǔ)償與安裝補(bǔ)償器管道垂直的管段的熱伸長(zhǎng)。當(dāng)彎曲管段一側(cè)直線管段較長(zhǎng)、另一側(cè)較短時(shí)，或管道有豎向高程變化時(shí)，采用復(fù)式拉桿型波紋管補(bǔ)償器與自然補(bǔ)償相比，可以大大增加彎曲管段的補(bǔ)償能力。
4 工程案例分析
4.1 工程概況
    三河熱電廠輸熱主干線為三河熱電廠至北京通州供熱區(qū)域的輸送干線，三河熱電廠位于河北省三河市燕郊開發(fā)區(qū)，與北京市通州區(qū)相鄰，本項(xiàng)目是北京市第一次引進(jìn)外省市熱源為北京供熱。三河熱電廠輸熱主干線一期工程管道長(zhǎng)度為22.5km，規(guī)格為DN 1400mm，設(shè)計(jì)壓力為2.4MPa，供、回水溫度為150、70℃，管道循環(huán)工作溫差為150℃。該工程輸送距離長(zhǎng)，壓力高，管徑大，穿跨越工程多：5次穿越河流、3次穿越鐵路、5次穿越高速公路。在管線轉(zhuǎn)彎和穿跨越處，平面和高程布置受到諸多限制，是設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的重點(diǎn)。下面分析三河熱電廠輸熱主干線的一個(gè)子項(xiàng)工程，通過優(yōu)選補(bǔ)償方式減少管系中大推力固定支座的數(shù)量，降低造價(jià)并縮短工期。
    玉帶河大街東延道路位于六環(huán)路以東、宋郎路以西，DN 1400mm供熱管道沿玉帶河大街東延道路敷設(shè)。為躲避跨越六環(huán)路的橋梁，供熱管道穿越六環(huán)路的路由為玉帶河大街東延道路永中以北30m，長(zhǎng)約160m。供熱管道穿越六環(huán)路后向南折至道路永中以南3m并向東敷設(shè)。由于玉帶河大街東延道路在豐字溝設(shè)有橋梁，管道向南繞行穿越豐字溝，穿越長(zhǎng)度約132m，豐字溝以東路由仍為道路永中以南3m。該段管道在東六環(huán)西側(cè)路與豐字溝中間位置設(shè)置分支管線，管道走向見圖1，圖中數(shù)值單位為m。比較兩種設(shè)計(jì)方案，方案1、2的管道平面布置見圖2、3，圖中數(shù)值單位為m。
 
4.2 設(shè)計(jì)方案
① 方案1
方案1：采用外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器及自然補(bǔ)償方式。節(jié)點(diǎn)7為管道分支位置，考慮在該處同時(shí)設(shè)置補(bǔ)償器和固定支座易造成檢查室體積過大，因此僅在該處設(shè)置固定支座。采用火力發(fā)電廠管道靜力計(jì)算方法及程序計(jì)算得知，節(jié)點(diǎn)2～5、9～12及12～15均能實(shí)現(xiàn)自然補(bǔ)償。對(duì)固定點(diǎn)作用力分析發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)2、5、9、15內(nèi)壓不平衡力不能抵消，為大推力固定支座。大推力固定支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用配重法實(shí)現(xiàn)抗滑移，混凝土用量大，施工過程中由于工作坑較深，須加設(shè)鋼板樁防護(hù)，土方量明顯增加。
    ② 方案2
    方案2：采用鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器方式。鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器利用平面彎曲管段的角位移實(shí)現(xiàn)熱補(bǔ)償，補(bǔ)償長(zhǎng)度大，符合該工程實(shí)際要求。為盡可能減少大推力固定支座，在節(jié)點(diǎn)7利用管道穿越障礙埋設(shè)較深的條件設(shè)置一個(gè)豎向方形彎安裝鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器。采用火力發(fā)電廠管道靜力計(jì)算方法及程序計(jì)算得知，節(jié)點(diǎn)12～15可實(shí)現(xiàn)自然補(bǔ)償。由于節(jié)點(diǎn)15以東長(zhǎng)直管段約1km，不可避免采用外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器(節(jié)點(diǎn)16)。因此，僅節(jié)點(diǎn)15的不平衡力不能抵消，為大推力固定支座。相對(duì)于方案1，減少了3個(gè)大推力固定支座(節(jié)點(diǎn)2、5、9)。
4.3 方案比較
    方案1、2中節(jié)點(diǎn)1～15的補(bǔ)償器及固定支座的造價(jià)見表1，大推力固定支座單價(jià)中包括鋼板樁措施等增加的造價(jià)。
表1 方案1、2中節(jié)點(diǎn)1～15的補(bǔ)償器及固定支座的造價(jià)
方案
方案1
附件名稱
外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器(補(bǔ)償量為350mm)
外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器(補(bǔ)償量為200mm)
大推力固定支座
數(shù)量/個(gè)
4
6
4
單價(jià)/元
24.8×104
17.5×104
180.0×104
合計(jì)/元
924.2×104
方案
方案2
附件名稱
鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器(角位移量為8°)
鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器(角位移量為4°)
大推力固定支座
數(shù)量/個(gè)
4
26
1
單價(jià)/元
8.7×104
7.0×104
180.0×104
合計(jì)/元
396.8×104
   將方案1中節(jié)點(diǎn)1～15與方案2進(jìn)行對(duì)比可知，方案1共有固定支座10個(gè)，其中2、5、9、15為大推力固定支座，而方案2在平面轉(zhuǎn)角處利用鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器，加大補(bǔ)償段長(zhǎng)度，并在中間長(zhǎng)直管段上利用管道穿越障礙埋設(shè)較深的條件，設(shè)置豎向方形彎利用鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器補(bǔ)償直管段熱伸長(zhǎng)，減少了大推力固定支座數(shù)量。
    由表1可知，僅大推力固定支座一項(xiàng)，方案2較方案1節(jié)省造價(jià)540×104元，綜合考慮補(bǔ)償器增加對(duì)造價(jià)的影響，方案2較方案1減少約527.4×104元。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，大推力固定支座的施工期在2個(gè)月左右，因此在降低造價(jià)的同時(shí)，也縮短了施工期。
5 結(jié)論
    在管溝敷設(shè)供熱管道設(shè)計(jì)中，補(bǔ)償段的劃分及補(bǔ)償形式的選擇應(yīng)結(jié)合固定支座推力計(jì)算結(jié)果，尤其在大管徑、高壓力的管道設(shè)計(jì)中，應(yīng)利用管道埋深變化及平面轉(zhuǎn)角，設(shè)置鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器，盡可能減少大推力固定支座的數(shù)量，降低造價(jià)并縮短工期。
 
(本文作者：白麗瑩 孫蕾 馮繼蓓 北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100032)