對(duì)城建標(biāo)準(zhǔn)/T 81—98摩擦系數(shù)相關(guān)條文的修訂建議

摘 要

摘要：介紹了EN13941標(biāo)準(zhǔn)對(duì)直埋供熱管道管線區(qū)摩擦層周圍回填材料的技術(shù)要求及對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)，有別于我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)CJJ/T 81—98《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)
摘要：介紹了EN13941標(biāo)準(zhǔn)對(duì)直埋供熱管道管線區(qū)摩擦層周圍回填材料的技術(shù)要求及對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)，有別于我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)CJJ/T 81—98《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定。我國(guó)近年來(lái)進(jìn)行的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果也證明了EN13941標(biāo)準(zhǔn)的正確性，建議對(duì)CJJ/T 81—98的相關(guān)條文進(jìn)行修訂。
關(guān)鍵詞：回填材料；級(jí)配；摩擦系數(shù)；直埋供熱管道
Suggestions for Revising Related Clauses of Friction Coefficient in CJJ/T 81—98
LIANG Yabin
Abstract：The technical requirement and corresponding friction coefficient of backfill material around friction layer for directly buried heat-supply pipeline in EN 13941 are introduced.They are different from the relevant provisions of Chinese current standard Technical Specification for Directly Buried Heating Pipeline Engineering in City(CJJ/T 81—98).The correctness of EN 13941 has been proved by the experimental results carried out in China.It is suggested that the related clauses in CJJ/T 81—98 should be revised.
Key words：backfill material；gradation；friction coefficient；directly buried heat-supply pipeline
1 回填材料的選擇
    直埋供熱管道管線區(qū)摩擦層周圍回填砂與回填土比較，回填砂可增大支撐管頂?shù)膭偠龋詼p小保溫管道的受力，延長(zhǎng)保溫管道的壽命。回填砂還可起到以下作用：減小壓力、消除應(yīng)力集中、起均壓作用。
    在EN13941:2003標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)直埋供熱管道管線區(qū)摩擦層周圍回填材料的選用有明確的技術(shù)要求[1]：級(jí)配：最大粒徑≤32mm；粒徑≤0.075mm，以重量計(jì)不得超過(guò)10%；粒徑≤0.02mm，以重量計(jì)不得超過(guò)3%。純度：材料不應(yīng)含有植物殘余物、腐殖土、軟土或泥塊等有害成分。顆粒形狀：應(yīng)避免采用有可能損害管道和接頭的銳緣大顆粒。摩擦系數(shù)：在仔細(xì)夯實(shí)條件下，材料組分應(yīng)達(dá)到安裝設(shè)計(jì)所規(guī)定的摩擦系數(shù)。夯實(shí)：材料的摩擦系數(shù)以標(biāo)準(zhǔn)葡氏值為依據(jù)，平均為97%～98%，不能低于95%，要求仔細(xì)地并均勻地夯實(shí)。
    上述技術(shù)要求可理解為：回填材料的級(jí)配90%以上應(yīng)該是較均勻的中砂。由于細(xì)砂所占的比例很小，就明確排除了完全采用砂質(zhì)粉土的可行性。在回填材料的純度上不應(yīng)含有軟土或泥塊等有害成分，也同時(shí)明確地排除了回填粉質(zhì)黏土的可行性。
    上述技術(shù)要求僅限于溝槽管線區(qū)的摩擦層，而管線區(qū)上部的承壓層則不受此規(guī)定的限制，允許回填溝槽開(kāi)挖出來(lái)的合適物料(即過(guò)篩細(xì)土)。
    必須指出的是：在直埋供熱管道管線區(qū)的摩擦層回填砂可起到保證摩擦條件及滲透排水的作用，如果回填的是土，直埋供熱管道(表面溫度通常為50℃)將加熱含水分的泥土，隨著水分的蒸發(fā)，干燥的泥土將形成較硬的空殼，使管道失去摩擦約束，管道的熱伸長(zhǎng)量加大，從而加大管件的應(yīng)力水平或使補(bǔ)償器產(chǎn)生過(guò)量的位移，從而威脅直埋供熱管道的安全。顯然，我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)CJJ/T 81—98允許采用“粉質(zhì)黏土”或“砂質(zhì)粉土”作為回填材料的規(guī)定有待商榷。
2 摩擦系數(shù)的確定
    CJJ/T 81—98《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》給出的保溫管外殼與土壤間的摩擦系數(shù)，對(duì)于中砂與粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土的差別不是很大，只區(qū)別在最小摩擦系數(shù)的取值：中砂為0.2，粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土為0.15。
   根據(jù)EN13941標(biāo)準(zhǔn)對(duì)回填材料級(jí)配的規(guī)定，排除了完全采用粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土的可行性，因此只需保留CJJ/T 81—98關(guān)于中砂的摩擦系數(shù)即可。這與EN13941標(biāo)準(zhǔn)給出的摩擦系數(shù)是一致的，而且與近年來(lái)太原地區(qū)進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果也是吻合的。
   太原理工大學(xué)與太原市熱力公司聯(lián)合進(jìn)行砂箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試(利用機(jī)械力模擬熱膨脹力的實(shí)驗(yàn)方法)，并進(jìn)行工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試摩擦系數(shù)(按照工程實(shí)際管頂埋深及管線區(qū)的摩擦層回填砂的條件進(jìn)行測(cè)試)。經(jīng)過(guò)測(cè)試所得的最大摩擦系數(shù)是砂箱實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果。而在工程實(shí)際中，直埋供熱管道首次熱膨脹時(shí)摩擦系數(shù)最大，但首次升溫供水溫度也較低，摩擦力小，當(dāng)水溫達(dá)到額定最高溫度時(shí)，過(guò)渡段管道已經(jīng)歷多次熱伸長(zhǎng)移動(dòng)，雖然運(yùn)行溫度高，但管段平均摩擦系數(shù)小，其最大摩擦系數(shù)已有所下降[2]。
    現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)CJJ/T 81—98中規(guī)定了高密度聚乙烯或玻璃鋼作為保護(hù)殼的聚氨酯保溫管與中砂的最大摩擦系數(shù)為0.4，最小摩擦系數(shù)為0.2。在受力分析中取最大摩擦系數(shù)為0.4，在選用補(bǔ)償器中取最小摩擦系數(shù)為0.2，這樣在兩方面都是安全的。
    EN13941標(biāo)準(zhǔn)給出的砂質(zhì)土壤摩擦系數(shù)為：
    ① 長(zhǎng)期移動(dòng)取最小摩擦系數(shù)為0.2。是指對(duì)長(zhǎng)期作用的供熱管道在降溫冷卻時(shí)會(huì)產(chǎn)生“隧道效應(yīng)”，即加熱時(shí)管徑增加，可能導(dǎo)致摩擦力上升；而冷卻時(shí)管徑減小，可能導(dǎo)致摩擦力下降。在選擇補(bǔ)償器時(shí)應(yīng)取最小摩擦系數(shù)為0.2。
    ② 常態(tài)移動(dòng)取平均摩擦系數(shù)為0.3～0.4。是指對(duì)于低循環(huán)疲勞分析(溫度變化比較小)，大多數(shù)情況下取0.4比較合適。
    ③ 首次升溫時(shí)的短期作用取最大摩擦系數(shù)為0.6。屬于過(guò)渡狀態(tài)，不能作為設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)。
    EN13941標(biāo)準(zhǔn)給出的應(yīng)用條件與近年來(lái)國(guó)內(nèi)進(jìn)行的摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相同。
3 修訂建議
    ① EN13941標(biāo)準(zhǔn)與CJJ/T 81—98標(biāo)準(zhǔn)給出的最小摩擦系數(shù)0.2是一致的。是屬于長(zhǎng)期作用下，埋設(shè)在級(jí)配良好土壤的大管徑管道，當(dāng)冷卻時(shí)由于隧道效應(yīng)使摩擦系數(shù)減小所致，是作為選用補(bǔ)償器的條件。
    ② CJJ/T 81—98標(biāo)準(zhǔn)給出的最大摩擦系數(shù)0.4，是基于砂箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)連續(xù)機(jī)械推拉9次，直至摩擦推力趨于穩(wěn)定下獲得的，它相當(dāng)于EN13941標(biāo)準(zhǔn)給出的常態(tài)移動(dòng)下平均摩擦系數(shù)0.4(即供水溫度達(dá)到最高的條件下)。因此，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)CJJ/T 81—98中的“最小過(guò)渡段長(zhǎng)度”及“最大軸向力”宜改為“平均過(guò)渡段長(zhǎng)度”及“平均軸向力”。
    ③ EN13941標(biāo)準(zhǔn)給出的最大摩擦系數(shù)為0.6，是發(fā)生在首次升溫時(shí)的短期作用。此時(shí)的供水溫度較低，熱伸長(zhǎng)量較小，軸向摩擦力也并非最大，屬于過(guò)渡狀態(tài)，該摩擦系數(shù)不能作為設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)。因此不存在摩擦系數(shù)為0.6下的最小過(guò)渡段長(zhǎng)度和最大軸向力。北歐采取在預(yù)制保溫管外纏繞一層塑料膜的方法，以降低摩擦系數(shù)。
    ④ 相應(yīng)取消CJJ/T 81—98標(biāo)準(zhǔn)中回填材料采用“粉質(zhì)黏土”、“砂質(zhì)粉土”的相關(guān)條款。
參考文獻(xiàn)：
[1] British Standards Institution.EN13941:2003 Design and installation of preinsulated bonded pipe systems for district heating[S].London：Standards Policy and Strategy Committee，2003.
[2] 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，2007：30-35.
 
(本文作者：梁雅濱 中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院 天津 300074)