直埋敷設(shè)供熱管道三通支管設(shè)計(jì)方法

摘 要

摘要：介紹了直埋敷設(shè)供熱管道三通支管的設(shè)計(jì)方法，對(duì)各種設(shè)計(jì)方法中設(shè)計(jì)參數(shù)的選取進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：直埋敷設(shè)；供熱管道；三通；支管Design Methods of Tee Branch of Directly Bur
摘要：介紹了直埋敷設(shè)供熱管道三通支管的設(shè)計(jì)方法，對(duì)各種設(shè)計(jì)方法中設(shè)計(jì)參數(shù)的選取進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：直埋敷設(shè)；供熱管道；三通；支管
Design Methods of Tee Branch of Directly Buried Heat-supply pipeline
WANG Wan-yue，ZHANG Xian，SUN Chun-yan
Abstract：The design methods of tee branch of directly buried heating pipeline are introduced. The selection of design parameters in different design methods is analyzed.
Key words：directly buried installation；heat-supply pipeline；tee；branch
   供熱管道直埋敷設(shè)是替代傳統(tǒng)管溝敷設(shè)和架空敷設(shè)的新型實(shí)用技術(shù)。具有造價(jià)低、施工期短、占地面積小等特點(diǎn)，是住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部重點(diǎn)推廣技術(shù)之一，也是我國(guó)城市熱網(wǎng)的主要敷設(shè)方式[1～5]。而直埋敷設(shè)管道中的三通分支設(shè)計(jì)一直是設(shè)計(jì)人員非常關(guān)心的問(wèn)題，尤其對(duì)于集中供熱系統(tǒng)。由于集中供熱系統(tǒng)供熱面積大，主管管徑相對(duì)較大，分支較多，無(wú)疑增加了三通分支設(shè)計(jì)的難度。一般情況下，三通主管的設(shè)置比較簡(jiǎn)單，有兩種情況：一種情況是三通設(shè)置固定支座、補(bǔ)償器，三通主管無(wú)軸向移動(dòng)；另一種情況是三通不設(shè)固定支座、補(bǔ)償器，三通主管有軸向移動(dòng)。本文對(duì)直埋敷設(shè)供熱管道三通支管的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討。
1 支管設(shè)置固定支座
    當(dāng)三通主管無(wú)軸向移動(dòng)時(shí)，支管設(shè)置固定支座的情況見(jiàn)圖1。運(yùn)行中固定支座與三通之間的管道由于熱脹產(chǎn)生變形，固定支座與三通的距離越大，變形越大。當(dāng)固定支座至三通的距離三達(dá)到一定值時(shí)，三通易由于支管的變形而破壞，為了限制支管上的熱脹變形向三通轉(zhuǎn)移，應(yīng)滿足L≤9m[6、7]。
 
當(dāng)三通主管有軸向移動(dòng)時(shí)，支管設(shè)置固定支座的情況見(jiàn)圖2。三通主管的軸向移動(dòng)越大，在三通產(chǎn)生的應(yīng)力越大，三通越容易破壞。為使支管能夠吸收三通主管的軸向移動(dòng)，減小由于三通主管的軸向移動(dòng)在三通產(chǎn)生的應(yīng)力，固定支座與三通的距離L應(yīng)滿足L＞Le，Le的計(jì)算式為[7]：
 
式中Le——L形管道的彈性臂長(zhǎng)，m
    De——保溫管道的外徑，m
    C——土壤橫向壓縮反力系數(shù)，N/m3
E——鋼材的彈性模量，MPa
Ip——管道橫截面慣性矩，m4
 
值得注意的是，由于三通主管的軸向移動(dòng)吸收了支管的熱脹變形，因此從支管熱脹變形角度考慮L的極大值應(yīng)該沒(méi)有限制，但支管熱脹冷縮時(shí)易對(duì)固定支座產(chǎn)生推力，該推力即是支管的外殼與土壤之間的摩擦力F，計(jì)算式為：
 
式中F——支管對(duì)固定支座產(chǎn)生的推力，N
    ρ——土壤的密度，kg/m3
    g——重力加速度，m/s2
μ——保溫管外殼與土壤之間的摩擦系數(shù)
h——管頂覆土深度，m，當(dāng)h＞1.5m時(shí)，取1.5m
由式(2)可知，在ρ、μ、h、Dc一定的情況下，F(xiàn)與L的變化規(guī)律一致，為了降低F，就必須限制固定支座與三通的距離。因此，應(yīng)根據(jù)固定支座的受力對(duì)L加以限制。
2 支管設(shè)置補(bǔ)償裝置
2.1 設(shè)置自然補(bǔ)償
    采用自然補(bǔ)償不需購(gòu)買補(bǔ)償器，不需設(shè)置補(bǔ)償器檢查井，可節(jié)約資金，縮短施工時(shí)間。由于市政設(shè)施越來(lái)越多，城市道路上有供熱管道、污水管道、雨水管道、自來(lái)水管道等。供熱管道采用雙管敷設(shè)，且一般情況下是水平布置，加之管道又要保溫，因此在
原本就有限的道路上占據(jù)了不少窄間。如果再在三通分支處設(shè)置補(bǔ)償器檢查井或固定支座，供熱管道將占用更大的空間。因此，在三通支管上采用自然補(bǔ)償是首選的設(shè)計(jì)方法。
   ① 設(shè)置L形自然補(bǔ)償
   當(dāng)三通主管無(wú)軸向移動(dòng)肘，支管設(shè)置L形自然補(bǔ)償?shù)那闆r見(jiàn)圖3。當(dāng)三通主管與支管上下平行設(shè)置，支管采用L形布置時(shí)，為了減少與三通主管平行部分的支管軸向移動(dòng)對(duì)三通的影響，并考慮支管的L形自然補(bǔ)償，支管彎頭距三通的距離(即L形自然補(bǔ)償?shù)亩瘫坶L(zhǎng)度Ls)宜接近管道的彈性臂長(zhǎng)Le。對(duì)于直埋供熱管道，土壤與保溫管道直接接觸限制了管道的自由活動(dòng)，因此在補(bǔ)償彎臂處根據(jù)需要設(shè)置不同厚度的軟回填材料，軟回填材料必須選用伸縮性好的保溫防凍材料。
 
   ②設(shè)置Z形自然補(bǔ)償
當(dāng)三通主管無(wú)軸向移動(dòng)時(shí)，支管設(shè)置Z形自然補(bǔ)償?shù)那闆r見(jiàn)圖4。當(dāng)支管采用Z形布置時(shí)，支管對(duì)三通主管的推力即保溫管外殼與土壤之間的摩擦力F，同樣由式(2)可知，在ρ、μ、h、Dc一定的情況下，F(xiàn)與L的變化規(guī)律一致，為了降低F，L應(yīng)滿足L≤20m[7]。
 
    Z形自然補(bǔ)償可分割成兩個(gè)L形自然補(bǔ)償，因此以Z形自然補(bǔ)償?shù)拇怪北凵系鸟v點(diǎn)將Z形自然補(bǔ)償分為兩個(gè)L形自然補(bǔ)償，從而根據(jù)兩個(gè)L形自然補(bǔ)償確定Z形自然補(bǔ)償?shù)拇怪北坶L(zhǎng)，以保證管道在熱脹冷縮時(shí)能夠自由活動(dòng)，吸收管道熱脹冷縮時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，起到保護(hù)管道的目的。同L形自然補(bǔ)償一樣，為了使垂直臂能夠自由活動(dòng)，在補(bǔ)償彎臂處根據(jù)需要設(shè)置不同厚度的軟回填材料。
2.2 設(shè)置軸向補(bǔ)償器
當(dāng)在支管上無(wú)法實(shí)現(xiàn)自然補(bǔ)償時(shí)，可以考慮在支管上設(shè)置軸向補(bǔ)償器，軸向補(bǔ)償器的類型可根據(jù)供回水溫度、支管的管徑及其他技術(shù)要求選用。當(dāng)三通主管無(wú)軸向移動(dòng)時(shí)，支管設(shè)置軸向補(bǔ)償器的情況見(jiàn)圖5。為了降低支管的軸向移動(dòng)對(duì)三通的推力，軸向補(bǔ)償器距三通的距離L應(yīng)滿足L≤20m[7]。
 
    當(dāng)三通主管有軸向移動(dòng)時(shí)，支管設(shè)置軸向補(bǔ)償器的情況見(jiàn)圖6。為使支管能夠吸收主管的軸向移動(dòng)，并使支管上的土壤側(cè)向反力能夠限制支管的側(cè)向位移，以保護(hù)軸向補(bǔ)償器不被破壞，軸向補(bǔ)償器距三通的距離L應(yīng)滿足L≥12m[7]。此外，軸向補(bǔ)償器距三通的距離L還與軸向補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)有關(guān)，若選擇套筒補(bǔ)償器，則L還要滿足套筒補(bǔ)償器不會(huì)被支管彎頭處產(chǎn)生的盲板力拉脫的條件。
 
3 補(bǔ)充說(shuō)明
    ① 不管是何種分支形式，為了保證三通的壽命，均應(yīng)在三通開(kāi)口處進(jìn)行加強(qiáng)，加強(qiáng)的方法根據(jù)實(shí)際情況選用肋板加強(qiáng)、槽鋼加強(qiáng)等。
    ② 當(dāng)三通主管允許有軸向位移時(shí)，三通主管的軸向位移將使支管產(chǎn)生側(cè)向位移，此時(shí)應(yīng)控制三通到主管補(bǔ)償裝置的距離，保證三通處主管的最大軸向位移不大于50mm。三通處主管的最大軸向位移smax的計(jì)算式為：
    smax=1.2αlLc(t2-t0)    (3)
式中smax——三通處主管的最大軸向位移，m
    αl——管道的線膨脹系數(shù)，K-1
    Lc——三通至主管補(bǔ)償裝置的距離，m
    t2——管道最高工作溫度，℃
    t0——管道安裝溫度，℃
4 結(jié)論
    選擇直埋敷設(shè)供熱管道三通分支設(shè)計(jì)方法要綜合考慮三通在主管上的開(kāi)口位置及支管的走向等，在可行的前提下，優(yōu)先考慮在支管上采用自然補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)方法，當(dāng)無(wú)法采用自然補(bǔ)償時(shí)，可結(jié)合實(shí)際情況選用在支管上設(shè)置固定支座或安裝軸向補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)方法。
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(本文作者：王萬(wàn)月1 張弦2 孫春艷2 1.中北大學(xué)山西太原 030051；2.山西大學(xué) 山西太原 030051)