摘 要

摘　要：結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)DN l000mm直埋熱水供熱管道穿越河流關(guān)鍵設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行了探討，涉及安裝方式的選取、施工方案、工作鋼管壁厚計(jì)算、抗浮驗(yàn)算、直埋彎頭強(qiáng)度驗(yàn)算等。關(guān)鍵詞：

摘　要：結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)DN l000mm直埋熱水供熱管道穿越河流關(guān)鍵設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行了探討，涉及安裝方式的選取、施工方案、工作鋼管壁厚計(jì)算、抗浮驗(yàn)算、直埋彎頭強(qiáng)度驗(yàn)算等。

關(guān)鍵詞：供熱管道  穿越河流  預(yù)應(yīng)力安裝  抗浮驗(yàn)算  直埋彎頭

Key Design Contents of River Crossing of Large Diameter Directly Buried Heating Pipeline

Abstract：Combined with all engineering exampie，the key design contents of river crossing of DN l000mm directly buried hot water heating pipeline are discussed．The contents involve the selection of installation mode．construction scheme，wall thickness calculation of work steel pipe，anti-floating checking，strength checking of directly buried elbow and so on．

Keywords：heating pipeline；river crossing；prestressed installation；anti-floating checking；directly buried elbow

 

1　工程概況

某供熱管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)壓力為l.6MPa，設(shè)汁供、回水溫度為130、70℃，管徑為DN l000mm預(yù)制直埋保溫管(工作鋼管材質(zhì)為Q2358，絕熱層為聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料，保護(hù)層采用高密度聚乙烯外套管)。供熱管道由熱源引出后自西向東敷設(shè)至該市河?xùn)|區(qū)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)果，供熱管道需要穿越汾河河道。根據(jù)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門的要求，過河管道的建設(shè)不能影響河道的河勢(shì)穩(wěn)定和行洪能力，也不能影響城市景觀。

2　關(guān)鍵設(shè)計(jì)內(nèi)容

①安裝方式的選取

過河供熱管道的布置見圖1。為減少管網(wǎng)中補(bǔ)償器數(shù)量，降低泄漏的危險(xiǎn)，該工程選用直埋無補(bǔ)償敷設(shè)。直埋無補(bǔ)償敷設(shè)分為冷安裝、預(yù)應(yīng)力安裝方式，其中預(yù)應(yīng)力安裝方式可分為預(yù)熱安裝、一次性補(bǔ)償器安裝方式^[1-2]。對(duì)于分支較少，地下障礙較少，地勢(shì)平坦，地質(zhì)條件較好的熱水供熱系統(tǒng)，推薦采用冷安裝方式。而該工程地形復(fù)雜，起伏大，地質(zhì)條件不佳，加之管徑較大，易出現(xiàn)局部失穩(wěn)。若采用冷安裝方式，難度大、成本高，因此我們決定采用預(yù)熱安裝方式。在管道中設(shè)置一次性補(bǔ)償器，管道焊接后，除一次性補(bǔ)償器附近管溝外，其他管溝立即回填。在首次加熱過程中，當(dāng)一次性補(bǔ)償器的補(bǔ)償量達(dá)到補(bǔ)償管段所要提前釋放的熱膨脹量時(shí)，把一次性補(bǔ)償器焊死，完成管道的整體焊接。

 

②施工方案

施工期為枯水季節(jié)，施工步驟為：設(shè)置圍堰，開挖管溝；夯實(shí)溝底；溝底鋪設(shè)300mm厚底層砂；下管；縱向組對(duì)；調(diào)直或調(diào)彎；焊接管道；焊縫探傷(超聲波或X射線)；壓力試驗(yàn)；凹填300mm厚細(xì)砂；細(xì)砂上回填300mm厚碎石；為保證供熱管道在汛期安全穩(wěn)定，將厚度為500mm的鍍鋅鋼絲石籠網(wǎng)(俗稱鉛絲石籠網(wǎng))鋪設(shè)在回填碎石上；修復(fù)河道。

地質(zhì)報(bào)告顯示，溝底土質(zhì)以砂石居多，能夠避免管基受到擾動(dòng)，因此不必再鋪設(shè)天然級(jí)配砂石，降低了工程造價(jià)。若鉤底土質(zhì)以淤泥居多，應(yīng)在溝底鋪設(shè)天然級(jí)配砂石，一是防止洪水來臨時(shí)溝底混漿、塌方，甚至出現(xiàn)漂管；二是避免管基受到擾動(dòng)，導(dǎo)致承載力下降。

管道底部及周圍填砂對(duì)保證工程質(zhì)量、延長(zhǎng)供熱管道壽命有著重要意義：首先可有效提供對(duì)垂直荷載的支撐，與回填土相比，減小了預(yù)制直埋保溫管保溫層的垂直受力。其次，填砂可以起到均壓作用，還可保證回填質(zhì)量，防止垃圾土、堅(jiān)硬石塊、礫石等直接作用于預(yù)制直埋保溫管外殼。

充分考慮安全余量，迎沖刷面的鍍鋅鋼絲石籠網(wǎng)比管溝邊緣長(zhǎng)3.6m，背沖刷面的鍍鋅鋼絲石籠網(wǎng)比管溝邊緣長(zhǎng)3m。經(jīng)過水流頻繁沖刷，迎沖刷面一側(cè)比管溝邊緣長(zhǎng)出的鍍鋅鋼絲石籠網(wǎng)將向下彎曲，能夠保護(hù)供熱管道。鍍鋅鋼絲石籠網(wǎng)選用優(yōu)質(zhì)鍍鋅鋼絲，石籠內(nèi)碼放卵石，要求單塊粒徑為l00～200mm。

③工作鋼管壁厚計(jì)算

根據(jù)CJJ／T 8l—98《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》，滿足內(nèi)壓要求的計(jì)算壁厚dC的計(jì)算式為：

 

式中dC——滿足內(nèi)壓要求的計(jì)算壁厚，mm

dt——工作鋼管的理論計(jì)算壁厚，mm

dadd——工作鋼管壁厚附加值，mm

pD——設(shè)計(jì)壓力，MPa，為l.6MPa

Do——工作鋼管外直徑，mm，為l020mm

sall——鋼材在計(jì)算溫度(130℃)下的基本許用應(yīng)力，MPa，Q2358鋼材在20～200℃下的基本許用應(yīng)力為l25MPa

j——基本許用應(yīng)力修正系數(shù)，取1.0

c——壁厚負(fù)偏差系數(shù)，取0.2

由式(1)～(3)可計(jì)算得到滿足內(nèi)壓要求的計(jì)算壁厚dC為7.8mm，即工作鋼管的取用壁厚不得小于7.8mm。為確保過河管道的安全，工作鋼管的壁厚取13mm。

④抗浮驗(yàn)算

為了克服浮力對(duì)管道產(chǎn)生的影響，保證管道的穩(wěn)定性，需要進(jìn)行抗浮驗(yàn)算，滿足以下判別條件：

WP+Ws≥F              (4)

式中WP——單位長(zhǎng)度預(yù)制直埋保溫管自身結(jié)構(gòu)重量(不含管內(nèi)供熱介質(zhì))，N／m

Ws——單位長(zhǎng)度預(yù)制直埋保溫管管頂覆土重量，N／m

F——單位長(zhǎng)度預(yù)制直埋保溫管完全浸沒時(shí)所受浮力，N／m

單位長(zhǎng)度預(yù)制直埋保溫管完全浸沒時(shí)所受浮力F的計(jì)算式為：

 

式中r——水的密度，kg／m³

g——重力加速度，m／s²，取9.8m／s²

do——預(yù)制直埋保溫管PE管外直徑，m，取1.155m

由式(5)可計(jì)算得，單位長(zhǎng)度預(yù)制直埋保溫管完全浸沒時(shí)所受浮力為l0263 N／m。

單位長(zhǎng)度預(yù)制直埋保溫管自身結(jié)構(gòu)重量Wp的計(jì)算式為：

 

式中Wsum——單位長(zhǎng)度預(yù)制直埋保溫管總重量(含管內(nèi)供熱介質(zhì))，N／m，取l0402N／m

Ww——單位長(zhǎng)度預(yù)制直埋保溫管內(nèi)水的重量，N／m

Di——工作鋼管內(nèi)直徑，m，為0.994m

由式(6)、(7)可計(jì)算得，單位長(zhǎng)度預(yù)制直埋保溫管自身結(jié)構(gòu)重量為2801N／m。

單位長(zhǎng)度預(yù)制直埋保溫管管頂覆土重量Ws的計(jì)算式為：

Ws＝rsghb　　              　    (8)

式中rs——覆土密度，kg／m³，取1800 kg／m³

h——覆土深度，m，取2m

b——覆土寬度，m，取l.155m

由式(8)計(jì)算得，單位長(zhǎng)度預(yù)制直埋保溫管管頂覆土重量為40748N／m。由式(4)可知，設(shè)計(jì)滿足抗浮驗(yàn)算判定條件。

⑤直埋彎頭強(qiáng)度驗(yàn)算

西岸點(diǎn)A處的豎向彎頭轉(zhuǎn)角達(dá)171°，強(qiáng)度驗(yàn)算尤為關(guān)鍵。根據(jù)安定性理論，點(diǎn)A處的豎向彎頭應(yīng)力強(qiáng)度判別式為：

 

式中sbt——彎頭在彎矩作用下最大環(huán)向應(yīng)力變化幅度，MPa

spt——彎頭在內(nèi)壓作用下彎頭頂(底)部的環(huán)向應(yīng)力，MPa

bb——彎頭平面彎曲環(huán)向應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)，取值見表1

M——彎頭的彎矩變化范圍，N·m，計(jì)算方法參考CJJ／T 81—98

Rbo——彎頭的外半徑，m

Ib——彎頭橫截面的慣性矩，m⁴

l——彎頭的尺寸系數(shù)，取值見表l

RC——彎頭的計(jì)算曲率半徑，m

db——彎頭的壁厚，m，取0.01375m

Rbm——彎頭橫截面的平均半徑，m

Rbi——彎頭的內(nèi)半徑，m

 

當(dāng)彎頭的計(jì)算曲率半徑RC分別取6、10、15、20m時(shí)，由式(9)～(17)得到的彎頭強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果見表2.充分考慮安全余量，彎頭的曲率半徑宜選取20m。

 

3　結(jié)語

對(duì)于大管徑供熱管道穿越河道工程，應(yīng)根據(jù)不同安裝方式的具體特點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)供熱管道的安全運(yùn)行。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]王飛，張建偉.直埋供熱管道工程設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007：100-105.

[2]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)：A18-A20.

 

本文作者：李毅

作者單位：太原市市政工程設(shè)計(jì)研究院