摘　要：結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)直埋熱水供熱管道應(yīng)力驗(yàn)算、穩(wěn)定性驗(yàn)算及控制措施以及其他設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題進(jìn)行探討，介紹了運(yùn)行效果及有待改進(jìn)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：直埋熱水供熱管道  應(yīng)力驗(yàn)算  整體失穩(wěn)  局部失穩(wěn)  頂管  閥門井

Discussion on Key Questions in Design of Directly Buried Hot-water Heat-supply Pipeline

Abstract：The key questions such as stress check，stability check，control measures and so on in design of directly buried hot-water heat-supply pipeline are discussed combined with an engineering example．The operation effect and matters to be improved are introduced．

Key words：directly buried hot-water heat-supply pipeline；stress check；overall instability；local instability；pipe jacking；valve well

1　工程概況

天津市西青區(qū)中北鎮(zhèn)毗鄰天津市區(qū)，是天津經(jīng)濟(jì)發(fā)展最活躍的地區(qū)之一。該區(qū)域占地12km²，總建筑面積約500×10⁴m²。區(qū)域內(nèi)原有許多分散的小型燃煤鍋爐房，不僅熱效率低供熱效果差，而且污染物排放嚴(yán)重。為減少環(huán)境污染，合理利用資源，創(chuàng)建一個(gè)優(yōu)美的人居環(huán)境，鎮(zhèn)政府決定取消這些分散的小型燃煤鍋爐房，利用該區(qū)域南側(cè)的華苑鍋爐房實(shí)行集中供熱。自華苑鍋爐房敷設(shè)兩條熱水管線(分別為東線、西線)為中北鎮(zhèn)的用戶供熱。

一級(jí)管網(wǎng)設(shè)計(jì)依據(jù)總體規(guī)劃，結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r，充分考慮今后的發(fā)展，力求合理布局，節(jié)省投資，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。其中西線承擔(dān)的供熱面積約250×10⁴m²，設(shè)計(jì)供、回水溫度為l30、70℃，供熱管道最大規(guī)格為Æ820×10，設(shè)計(jì)壓力為l.6MPa，單程長度約5500m，全程采用直埋有補(bǔ)償敷設(shè)方式，沿途穿越鐵路、公路各1次。本文針對(duì)西線，對(duì)直埋熱水供熱管道的關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題進(jìn)行探討。

2　應(yīng)力驗(yàn)算

對(duì)于預(yù)制直埋熱水保溫管道，CJJ／T 81—98《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》明確規(guī)定應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算，判定是否允許直管段存在錨固段。判定條件為一次應(yīng)力與二次應(yīng)力共同作用下的當(dāng)量應(yīng)力不應(yīng)大于3倍的鋼材基本許用應(yīng)力。

CJJ／T 81—98的適用范圍是：供熱介質(zhì)溫度小于或等于l50℃，公稱直徑小于或等于500mm的鋼質(zhì)內(nèi)管、保溫層、保護(hù)外殼結(jié)合為一體的預(yù)制直埋熱水保溫管道。這里對(duì)適用范圍提出了兩個(gè)限定條件，即溫度限定條件、管徑限定條件。

在這兩個(gè)限定條件下，滿足判定條件的直管段在布置時(shí)的長度是不受限制的，即允許管道存在錨固段，實(shí)現(xiàn)無補(bǔ)償直埋敷設(shè)，當(dāng)不滿足判定條件時(shí)，管道應(yīng)布置成過渡段，采用有補(bǔ)償直埋敷設(shè)方式。由于西線工程的供熱管道最大管徑為DN800mm，不完全符合CJJ／T 81—98的適用范圍，因此采用有補(bǔ)償直埋敷設(shè)方式，選用直埋外壓式波紋管補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償，防止管道的循環(huán)擔(dān)性破壞^[1-2]。

3　穩(wěn)定性驗(yàn)算及控制措施。

3．1　整體失穩(wěn)驗(yàn)算

當(dāng)管道處于較大軸向應(yīng)力的狀態(tài)時(shí)，由于立柱效應(yīng)，將出現(xiàn)整體失穩(wěn)。這就必須使管道達(dá)到足夠的埋深，以保證穩(wěn)定性。因此，對(duì)于直埋熱水供熱管道應(yīng)進(jìn)行豎向穩(wěn)定性驗(yàn)算，主要是判斷管道上方的土壤重量是否足以克服垂直向上的反力，防止地下管道失穩(wěn)后從地面拱起。因此，單位管長的垂直載荷F應(yīng)滿足：

式中F——單位管長的垂直載荷，N／m

¦0——鋼管的初始撓度，m，取0.01m

g——安全系數(shù)，取l.1

Fax——管道的軸向壓力，N

E——鋼材的彈性模量，MPa，取2×10⁵Mpa

I——管道截面的慣性矩，m⁴

對(duì)于被摩擦力完全錨固的管段有：

式中As——鋼管的截面積，m²

a——鋼材的線性膨脹系數(shù)，K^-1，取1.22×10^-5K^-1

Dt——從管道安裝溫度(0℃)到工作循環(huán)最高溫度的溫差，℃，取-120℃

u——鋼材的泊松系數(shù)，取0.3

st——內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力，Mpa

PD——設(shè)計(jì)壓力，MPa，為l.6Mpa

Ap——內(nèi)壓作用面積，m²

Do——鋼管外直徑，m，為0.82m

穩(wěn)定時(shí)管道承受的垂直荷載見圖l。由圖1可知，單位管長的垂直載荷F的計(jì)算式為：

式中Ww——單位長度管道上部土層的有效重量，N／m

W——單位長度預(yù)制直埋熱水保溫管道的有效自重，N／m

Ff——單位長度靜止土壓力造成的剪切力，N／m

r——土壤的密度，kg／m³

g——重力加速度，m／s²

h——管中心至地面距離，m

do——預(yù)制直埋熱水保溫管外殼外直徑，m

K0——土壤靜壓力系數(shù)，取0.5

j——土壤內(nèi)摩擦角，(°)，取30°

對(duì)于Æ820×10管道，經(jīng)計(jì)算校核，當(dāng)管中心埋深為l.4m時(shí)，式(1)右端項(xiàng)的值遠(yuǎn)小于式(4)～(6)的計(jì)算結(jié)果，因此管中心埋深為l.4m滿足豎向穩(wěn)定條件^[4]。對(duì)于該工程，雖然增加管道埋深在一定程度上增加了施工量，設(shè)置補(bǔ)償器又增加了管網(wǎng)的泄漏點(diǎn)，但結(jié)合該工程直管段大多處于過渡段的實(shí)際情況，增加管道埋深和設(shè)置補(bǔ)償器是相對(duì)安全經(jīng)濟(jì)的。

3．2　局部失穩(wěn)控制措施

局部失穩(wěn)通常出現(xiàn)在承受較高軸向壓力的管件以及管子截面內(nèi)存在缺陷的部位。因此，為避免供熱管道出現(xiàn)局部失穩(wěn)可以采取以下措施：增加管件強(qiáng)度，采用材質(zhì)和公稱壁厚都符合設(shè)計(jì)要求的鋼管，防止焊接過程中出現(xiàn)錯(cuò)口，選擇優(yōu)質(zhì)的預(yù)制直埋保溫管道，針對(duì)應(yīng)力集中部位采取相應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)措施，避免出現(xiàn)事故工況下的閥門水擊(指在關(guān)閉閥門的瞬間產(chǎn)生的軸向力向閥門兩側(cè)的固定支座傳遞，使固定支座瞬間受到較大的軸向力)。

預(yù)制直埋熱水保溫管道的質(zhì)量至關(guān)重要。高密度聚乙烯外套管應(yīng)具有較高的機(jī)械性能和優(yōu)良的耐腐蝕性能，保溫層內(nèi)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料應(yīng)飽滿無空洞，并具有很好的粘接強(qiáng)度，使鋼管、高密度聚乙烯外套管及保溫層形成牢固的整體，在鋼管熱變形時(shí)不易產(chǎn)生剝離，有效利用土壤的摩擦力，減少補(bǔ)償器的補(bǔ)償位移和固定支座的受力。

應(yīng)力集中通常發(fā)生在管道的彎頭、三通、變徑管、折角等處。在溫度變化中，應(yīng)力集中在管道結(jié)構(gòu)不連續(xù)處產(chǎn)生峰值應(yīng)力易引起管道的疲勞破壞，它是直埋熱水供熱管道破壞的最主要方式。在設(shè)計(jì)中，主要采取以下方法避免破壞的產(chǎn)生：①采用高強(qiáng)度管件，對(duì)三通處進(jìn)行等面積補(bǔ)強(qiáng)；采用大曲率半徑的煨制彎頭，避免拐點(diǎn)處應(yīng)力集中，以降低峰值應(yīng)力。②設(shè)置固定支座阻止熱脹變形向彎頭、三通、變徑管、閥門等管件的轉(zhuǎn)移。③設(shè)置補(bǔ)償器吸收熱脹變形向應(yīng)力集中的管件轉(zhuǎn)移^[2]。

該工程共設(shè)置了3個(gè)分段閥門井，選用先進(jìn)的電動(dòng)對(duì)焊式硬密封三偏心蝶閥，能夠?qū)崿F(xiàn)在高溫、高壓的條件下運(yùn)行無泄漏，閥門與管道焊接使閥門能夠承受較大的軸向載荷。為避免閥門水擊的發(fā)生，在供回水管道的各個(gè)主閥兩側(cè)設(shè)置旁通管及小口徑的旁通閥。在事故工況下，先打開旁通閥，當(dāng)主閥全關(guān)閉后再關(guān)閉旁通閥；在打開主閥前，先打開旁通閥，主閥全打開后再關(guān)閉旁通閥。

4　其他設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題

由于波紋管補(bǔ)償器采取靠近固定支座布置，固定支座單側(cè)受力只有內(nèi)壓不平衡力、波紋管補(bǔ)償器的彈性力，而不包括土壤的摩擦力。因此，在設(shè)計(jì)中可以根據(jù)管網(wǎng)走向及分支位置，在波紋管補(bǔ)償器的最大安裝范圍內(nèi)盡量增加固定支座之間的距離，提高波紋管補(bǔ)償器的補(bǔ)償能力，減少管網(wǎng)的事故點(diǎn)。固定支座的錨固法蘭與管道的連接處易產(chǎn)生腐蝕，應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)級(jí)環(huán)氧煤瀝青防腐^[5]。

穿越頂管既是施工難點(diǎn)也是設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)，該工程穿越頂管的地段分別在新津楊公路、某鐵路貨運(yùn)支線。新津楊公路段地質(zhì)條件差，土質(zhì)松軟，地下水位高，且多流沙。設(shè)計(jì)前，根據(jù)施工機(jī)械外形尺寸確定頂管工作坑的位置和大小，綜合考慮設(shè)計(jì)埋深、公路部門要求、地下管道和地下構(gòu)筑物的情況，確定頂管深度。根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)條件，采用矩形工作坑，密排鋼樁，并采取有效支撐防止坍塌。工作坑底澆筑混凝土底板，修筑后座墻，并設(shè)多口降水井。頂管外套管采用鋼筋混凝土管，橡膠圈防水接口，工作管采用預(yù)制直埋熱水保溫管道，管外捆綁塑料支撐塊，隨管道一同頂入外套管。

5　運(yùn)行效果及有待改進(jìn)內(nèi)容

西線一級(jí)管網(wǎng)經(jīng)過一個(gè)供暖期試運(yùn)行(低負(fù)荷，不足總負(fù)荷的l0％)和一個(gè)供暖期的正式運(yùn)行，安全穩(wěn)定，效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。運(yùn)行中也發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，由于地下水位高，閥門井存在滲水現(xiàn)象。針對(duì)這種現(xiàn)象，我們正在積極探索采用“預(yù)應(yīng)力玻璃鋼防水井”的解決方案。預(yù)應(yīng)力玻璃鋼防水井采用玻璃鋼制作井壁，井內(nèi)設(shè)備預(yù)先安裝，最后形成整體與供熱管道直接焊接。井口用橡膠圈密封，井體強(qiáng)度能夠滿足埋深要求，也可以采取減薄井壁與土建井體的聯(lián)合施工。預(yù)應(yīng)力玻璃鋼防水井在試用中取得了良好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]臧洪泉，李曉恭，崔凱，等．穿越河流的熱水供熱管道設(shè)計(jì)計(jì)算[J]．煤氣與熱力，2013，33(4)：A19-A21．

[2]張海寧．供熱管道直埋式波紋管補(bǔ)償器的研發(fā)與應(yīng)用[J]．煤氣與熱力，2012，32(1)：Al6-Al9．

[3]蘭德勞夫皮．區(qū)域供熱手冊(cè)[M]．賀平，王鋼，譯．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，l998：75-76．

[4]王子德．供熱管道直埋敷設(shè)的計(jì)算與設(shè)計(jì)[J]．煤氣與熱力，2002，22(5)：457-458．

[5]劉敏．供熱管道固定支墩的設(shè)計(jì)[J]．煤氣與熱力，2004．24(2)：91-93．

本文作者：辛?xí)造o　王紅妹

作者單位：天津市津燃熱電有限公司

  天津市燃?xì)鉄崃σ?guī)劃設(shè)計(jì)院