摘 要

摘　要：對架空供熱管道的設計要點進行探討，包括：管道凈高、保溫材料選擇、保護層設計、補償器選擇、旋轉補償器旋轉臂最小長度及最佳安裝角、活動支架允許間距、滑板長度設計。

摘　要：對架空供熱管道的設計要點進行探討，包括：管道凈高、保溫材料選擇、保護層設計、補償器選擇、旋轉補償器旋轉臂最小長度及最佳安裝角、活動支架允許間距、滑板長度設計。

關鍵詞：架空敷設；  供熱管道；  設計要點

Key Design Points of Overhead Heat-supply Pipeline

Abstract：The key design points of overhead heat-supply pipeline are discussed．These points inelude clear height of pipeline，selection of thermal insulation material，design of protective layer，choice of compensator，design of minimum length and optimal installation angle of rotating arm of rotating compensator，design of permissible distance between movable supports and design of length of sliding plate．

Keywords：overhead installation；heat-supply pipeline；key design points

 

與直埋供熱管道相比，架空供熱管道的應力驗算比較簡單，在保溫計算與水力計算方面也沒有太大差別，但目前在架空供熱管道的設計上存在諸多問題。本文對架空供熱管道的設計要點進行探討。

1　凈高

1.1　不影響交通地區(qū)

CJJ／T 55—2011《供熱術語標準》分別對低支架、中支架、高支架供熱管道保溫結構底面距地面凈高(以下簡稱凈高)進行了說明，低支架為小于2m，中支架為大于等于2m、小于4m，高支架為4m及以上。

我國現行的CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網設計規(guī)范》第8．2．12條指出：在不影響交通的地區(qū)，應采用低支架，管道保溫結構下表面距地面的凈距不應小于0.3m。至于為何盡可能采用低支架，在條文解釋中未作出說明。我們的理解是：低支架的建設成本低，施工、維修方便，便于運行管理。基于這樣的理解，加之CJJ 34—2010也未作過多限定，因此我國多采用低支架的安裝方式。事實上，在實際運行管理中，低支架供熱管道存在的問題遠比中高支架多，主要表現在以下幾個方面。

①安全問題。供熱管道屬于較高溫度管道，架空供熱管道避免不了有閥門法蘭、排水閥、疏水裝置、補償器等高溫面的裸露，這些高溫裸露面易造成人員燙傷。因此，低支架供熱管道存在安全隱患。

②容易損壞。由于低支架供熱管道在人易觸及的高度上，因此保護層及保溫層容易被人為損壞。若保護層耐火性差，管道周圍易燃物著火極易將保護層燒壞，需定期清理低支架供熱管道周圍的雜草及其他易燃物。

③影響人畜無規(guī)則通行。實際上，低支架供熱管道易造成人畜踩管翻越，在將保護層、保溫層踩壞的同時，還存在燙傷的危險。

④影響土地有效利用。低支架敷設區(qū)域的土地基本被徹底占用，得不到有效利用。

綜上所述，建議CJJ 34—2010的第8．2．12條改為：在不影響交通的地區(qū)，宜采用中支架。并將中支架凈高下限提高至大于等于2.5m，這是由于2m高度仍然在人體可觸及范圍內。

1．2　公路路面

CJJ 34—2010表8．2．11-2要求：架空供熱管道與公路路面的最小垂直凈距為4.5m。我國現行的JTJ B01—2003((公路工程技術標準》在對公路設計所采用的設計車輛外廓尺寸的規(guī)定中要求：車輛總高度限定在4m以內。由此可知，架空供熱管道與車輛的安全距離為0.5m，理論上可以接受。然而，0.5m的安全距離在實踐中卻存在問題。

為獲取較高收益，有不少大型貨車存在超高情況，而且屢禁不止。很多大型貨車的裝貨高度超過4m，輕易就達到了4.5m，導致架空供熱管道被大型貨車撞壞的情況時有發(fā)生。根據我們的經驗，公路路面上的架空供熱管道凈高至少應達到5m，安全才會得到保障。JTJ B01—2003第2．0．7條第4款規(guī)定：一條公路應采用同一凈高，高速公路、一級公路二級公路的凈高應為5.0m，三級公路、四級公路的凈高應為4.5m。因此，公路路面上的架空供熱管道凈高至少要達到5m。

2　保溫材料及保護層

保溫材料及保護層設計不合理，易造成架空供熱管道造價高及維修量大。如有些架空高溫熱水供熱管道采用聚氨酯泡沫塑料作為保溫材料，在保溫效果與玻璃棉相同情況下，整體造價要高出很多。過去常用的油氈加兩布三油形式保護層，其抗老化能力差，一般2～3a就需要維修一次。因此，保溫材料及保護層也應作為架空供熱管道的設計重點。

2.1　保溫材料的選擇

對于低支架供熱管道，宜采用硬質保溫材料。這是由于低支架敷設容易出現人在管道上行走的情況，硬質保溫材料抗壓強度高，不易被踩壞。目前，強度較高、價格合理且有一定韌性的硬質保溫材料為微孔硅酸鈣。

對于中高支架供熱管道，宜采用玻璃棉作為保溫材料，這是由于玻璃棉重量輕、彈性好、耐水性好、價格合理。玻璃棉之外的其他保溫材料，如巖棉，與玻璃棉相比，彈性與耐水性差，使用一段時間后，易形成上部變薄，下部出現空隙的情況，總體保溫性能下降。

2.2　保護層的設計

對于低支架供熱管道，當采用硬質保溫材料時，保護層應該配套使用鋼絲網加石棉絨水泥形式，石棉絨水泥耐踩踏、耐老化。

對于中高支架供熱管道，當采用輕質保溫材料時，保護層宜采用鍍鋅鋼板或彩鋼板，厚度為0.3～0.8mm。這是由于鍍鋅鋼板、彩鋼板的抗老化能力強，雖然造價較高，但使用壽命長，總體效益好。保護層內宜增設l層0.1mm厚的塑料布，以免降水從保護層縫隙侵入保溫層。

3　補償器

3.1　補償器的選擇

補償器的種類很多，包括方形補償器、套筒補償器、球型補償器、波紋管補償器、旋轉補償器等^[1-6]。套筒補償器又分為普通套筒補償器、無推力套筒補償器；波紋管補償器又分為內壓型、外壓型、鉸鏈型、壓力平衡型、橫向大拉桿型等；旋轉補償器種類雖然單一，但具有較靈活多樣的布置方式。

由于補償器的種類多，很多設計者對于架空供熱管道補償器的選取無從下手。目前，突出的問題是在架空供熱管道上采用了無推力套筒補償器、壓力平衡型波紋管補償器。在理論上，這兩種補償器可抵消管道內壓(即管道內流體壓力)對固定支架產生的推力。但當無推力套筒補償器伸縮時的摩擦力較大時，易出現管道將固定支架推動了，補償器還未能伸縮的情況^[7]。壓力平衡型波紋管補償器較大的彈性力易將固定支架推壞。這兩種補償器的造價都比較高，且無推力套筒補償器的摩擦面多，易泄漏。

有不少架空供熱管道選擇了普通套筒補償器、外壓型波紋管補償器，雖然在理論分析上比較合理，但不是最優(yōu)選擇。這兩種補償器用于架空供熱管道時，管道內壓對固定支架產生的推力F的計算式為：

F=Ap    　　　　　　　(1)

式中F——管道內壓對固定支架產生的推力，N

A——補償器的有效面積，m²

p——管道內壓，Pa

例如規(guī)格為Øl020 X 12的供熱管道，設計壓力為1.6MPa，強度試驗壓力(為設計壓力的1.5倍)為2.4MPa，采用外壓型波紋管補償器，補償器的有效面積為0.967m²。由式(1)可計算得到，強度試驗時管道內壓對固定支架產生的推力達到2.32MN。這使得固定支架的工程造價大幅提高，特別是中高支架。

綜合以上分析，架空供熱管道補償器適宜選擇旋轉補償器、球型補償器、鉸鏈型波紋管補償器、橫向大拉桿波紋管補償器。補償器是比較薄弱的裝置，宜選擇比供熱管道設計壓力高一個壓力等級的補償器。若選用波紋管補償器，高一個壓力等級，造價將高出許多。此外，波紋管補償器易受到腐蝕發(fā)生泄漏，且不能維修。因此，宜選擇旋轉補償器、球型補償器。與球型補償器相比，旋轉補償器的價格低，不易泄漏，更安全可靠。綜上所述，對于架空供熱管道，旋轉補償器是最優(yōu)選擇。

對于方形補償器，一般而言，管徑較小的供熱管道采用具有一定的優(yōu)勢，而管徑較大的供熱管道不宜采用，這是由于管徑較大的方形補償器占地面積大、造價高。我們認為，除特殊情況外，DN200mm及以上管徑的供熱管道不宜采用方形補償器。

3.2　旋轉補償器

在理論上以及廠家說明書上并沒有限制旋轉補償器轉角，但實際上，旋轉補償器的轉角(安裝角的2倍)不宜過大，應限制在40°以內，否則會帶來兩個問題：一是造成管道擺動過大，二是易造成補償器轉角過大導致泄漏。旋轉補償器布置在兩個固定支架中間位置時的工作原理見圖l。為補償管道的熱伸長量，又不使得旋轉補償器出現較大的轉角和擺動，需限定旋轉臂最小長度及最佳安裝角。

 

旋轉臂最小長度Lmin的計算式為：

 

式中Lmin——旋轉臂最小長度，m

DL——管道的熱伸長量，m

最佳安裝角q的計算式為：

 

式中q——最佳安裝角，rad

L——旋轉臂實際長度(應大于等于Lmin)，m

4　活動支架允許間距

4.1　長直管道活動支架

CJJ 34—2010沒有給出架空供熱管道活動支架允許間距的詳細計算方法，也沒有要求在計算活動支架允許間距時考慮剛度條件。在計算活動支架允許間距時，可參照DLT 5366—2006((火力發(fā)電廠汽水管道應力計算技術規(guī)程》的相關規(guī)定，僅考慮強度條件，這是由于剛度條件取充水的架空供熱管道最大重力荷載按最大撓度小于管徑的10％計算，按強度條件校核的活動支架允許間距仍滿足剛度條件^[8]。

關于按強度條件確定活動支架允許間距的計算，一些文獻給出了不同的計算方法。文獻[9]給出的計算式為：

 

式中Lmax——活動支架的允許間距，m

sw——管材的許用外載綜合應力，MPa，按文獻[9]附錄l4-4確定

W——管子斷面抗彎矩，cm³，按文獻[9]附錄14-2確定

j——管子橫向焊縫系數，按文獻[9]附錄14-2確定

G——外載作用下管子單位長度的計算重量，N／m

而文獻[10]給出的計算式為：

 

式中sall——管材在計算溫度下的許用應力，MPa

式(2)、(3)都不是參照DLT 5366—2006推導出來的計算式，筆者參照DLT 5366—2006推導出來的較準確計算式為^[8]：

 

式中Do——管子外直徑，mm

Di——管子內直徑，mm

Pd——設計壓力，MPa

4.2　轉角附近活動支架

轉角附近活動支架的最大允許間距為長直架空供熱管道活動支架最大允許間距的81．6％，在實際工程中，可圓整為80％^[11]。

5　滑板

與活動支架滑托接觸的滑板見圖2?；惺庆o止的，滑板與管道焊接在一起，滑板隨管道的熱脹冷縮一起運動。對于旋轉補償器設置在靠近一側固定支架的管段(見圖3)，每個活動支架處管道的熱伸長量、冷收縮量均不一致，越接近旋轉補償器的管道兩種位移量越大，這使得每個活動支架處的滑板設計長度均不同。由于滑板越短，造價越低，熱損失越小，因此在滿足管道位移量的前提下(即不使得滑板脫離滑托)，滑板越短越好。

 

 

用于滿足管道熱伸長量的滑板長度L1的計算式為：

L1＝1.1aDtLg

式中L1——用于滿足管道熱伸長量的滑板長度，m

a——管材的線脹系數，K^-1

Dt——管道工作循環(huán)最高溫度與管道計算安裝溫度之差，℃

Lg——滑板所在活動支架位置至固定支架A的距離，m

用于滿足管道冷收縮量的滑板長度L2的計算式為：

L2＝1.1aDtdLg

式中L2——用于滿足管道冷收縮量的滑板長度，m

Dtd——管道計算安裝溫度與室外最低溫度之差，℃

若L1、L2這兩個關鍵數據未在施工圖中明確給出，加之施工單位欠缺經驗，往往造成滑板長度設置不合理，從而導致滑板脫落。特別是當L2過小時，若架空供熱管道在夏季施工，到冬季正式運行前滑板就已經脫落?；迕撀湓斐傻暮蠊菍⒅Ъ芡频梗浅乐?。

 

參考文獻：

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[2]杜永紅．套筒補償器在熱網的應用[J]．煤氣與熱力，2009，29(1)：A10-Al2．

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[4]蘇紅鄉(xiāng)，張敬亭，張延杰．鉸鏈波紋管補償器在架空供熱管道的應用[J]．煤氣與熱力，2010，30(1)：Al2-Al5．

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[6]張俊紅，韓飛．球形補償器在過熱蒸汽管道上的應用分析[J]．煤氣與熱力，1998，18(1)：61-64．

[7]鄧曾祿．套筒補償器摩擦力的求法[J]．管道技術與設備，1999(4)：5-7．

[8]高百爭．按強度條件確定供熱管道活動支架的允許間距[J]．區(qū)域供熱，2010(3)：4-9．

[9]賀平，孫剛．供熱工程[M]．3版．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993．

[10]李善化，康慧．實用集中供熱手冊[M]．北京：中國電力出版社，2007．

[11]梁豐，高百爭．架空供熱管道轉角附近活動支架的允許間距[J]．煤氣與熱力，2010，30(8)：A22-A24．

 

本文作者：張羨洲  高百爭

作者單位：中國平煤神馬集團陽光物業(yè)有限公司