大口径供热管道在管桥上架空敷设的设计要点_程小松.pdf

城市集中供热工程中供热管道常采用直埋敷设的方法，其无补偿安装优势明显，且因其具有相对美观、施工便捷、节省投资和泄漏点少等特点，已被广泛采用1。近年来，各地出现了很多长距离、大口径的供热管网项目，但由于热网输送距离较长，所以遇到穿（跨）越河流、山脉、铁路、高速公路等特殊情况时，需要采用非直埋的特殊敷设方式。供热管道跨越大型河流的一种主要形式就是管桥上的架空敷设。长距离、大口径供热管道的最大运行压力和最收稿日期：2023-01-18作者简介：程小松，男，工程师，硕士，主要从事城市供热工程设计、研究及咨询工作。引文格式：程小松，王玉虎，郭六恒，等.大口径供热管道在管桥上架空敷设的设计要点 J.市政技术，2023，41（5）：102-106.（CHENG X S，WANG Y H，GUO L H，et al.Design points of overhead laying on bridge by large caliber heating pipeline J.Journal of municipal tech-nology，2023，41（5）：102-106.）文章编号：1009-7767（2023）05-0102-05第41卷第5期2023年5月Vol.41，No.5May 2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.05.102Journal of Municipal Technology大口径供热管道在管桥上架空敷设的设计要点程小松1*，王玉虎1，郭六恒2，周国军1（1.西安华能电力建筑设计有限公司，陕西 西安 710018；2.中国市政工程华北设计研总院有限公司 西安分公司，陕西 西安 710018）摘要：管桥上的架空敷设是供热管道跨越河流的一种主要形式。大口径供热管道在管桥上架空敷设不同于直埋敷设，其工作压力更大、介质温度更高、敷设难度更大，作为城市供热主管道，其应力安全也更加重要，需要认真研究和分析。因此结合工程案例，从供热管道管径比选、管材与保温、管线布置、补偿器选用、管道支架、管道间距和管桥设计的条件等方面，对大口径供热管道在管桥上架空敷设的设计内容进行了分析探讨，提出了大口径供热管道在管桥上敷设时的设计要点，可供相关从业者在工程设计中参考。关键词：大口径；供热管道；管桥；架空敷设；设计要点中图分类号：TU 995.3文献标志码：BDesign Points of Overhead Laying on Bridge by Large Caliber Heating PipelineCheng Xiaosong1*，Wang Yuhu1，Guo Liuheng2，Zhou Guojun1（1.Xi an Huaneng Electric Power Architectural Design Co.，Ltd.，Xi an 710018，China；2.Xi an Branch，North China Municipal Engineering Design&Research Institute Co.，Ltd.，Xi an 710018，China）Abstract：Pipe bridge laying is one of the main forms of heating pipeline crossing rivers.That large caliber heatingpipeline overhead laying on the pipe bridge is different from directly buried laying because of its larger workingpressure，higher medium temperature and more difficult laying.Being the urban heating main pipeline，its stresssafety is more important and need to be studied and analyzed carefully.Therefore，combining with engineering cases，the design content of overhead laying of large caliber heating pipeline on the pipe bridge are analyzed and discussedfrom the aspects of diameter ratio selection，pipe and insulation，pipeline layout，compensator selection，pipe sup鄄port，pipe spacing，pipe bridge design conditions and etc.The design points are proposed，which can be referencefor engineering design by relevant practitioners.Keywords：large caliber；heating pipeline；pipe bridge；overhead laying；design points第5期高运行温度比一般城区供热管道更高，其安全要求也更高。管桥上架空敷设的供热管道与直埋供热管道的受力有很大区别，由于没有土壤摩擦力的约束，管道会产生较大的热膨胀变形，因此需要采用有补偿敷设的方法，即利用补偿器的应变释放变形量来减少管道轴向热应力，防止管道出现失稳，以便有效降低安全风险。1工程概况我国西北地区某大型集中供热工程近期供热面积约为1300万m2，近期设计供热负荷约为700MW，热源至城市主要热负荷区的距离约为14.5 km，一级供热管网最大管径为DN1 400 mm，最小管径为DN250 mm，全线管槽总长度约为40 km。供热管网工作介质为高温热水，设计供/回水温度为120/60，设计压力为1.6 MPa，强度试验压力为2.4 MPa。由于集中供热热源位于大型河流北侧，而城区主要热负荷区位于大型河流南侧，供热主管道敷设路由需要跨越该大型河流，因此采用管桥架空敷设的方法。根据供热管网敷设路由和两岸河堤之间的距离，管桥架空敷设段总长度约为2.6 km。2管径比选、管材与保温2.1管径比选该工程分近、远期实施，原计划近期建设2DN1 200 mm供热管道，并在管桥上预留远期2DN1 200 mm供热管道的安装空间，远期供热管道需根据城区热负荷的发展情况适时建设。远期主管道4DN1 200（覫1 22014）mm可供热面积约为2 500万m2，供热能力约为1 350 MW。按照设计温差60 计算，4DN1200mm供热方案的比摩阻约为40Pa/m，若管径选取2DN1400（覫142018）mm，则比摩阻约为70Pa/m。2种方案的比摩阻均符合规范推荐的3070 Pa/m经济比摩阻的要求2。考虑到国家节能标准越来越高，远期新建建筑的节能也会做得越来越好，实际供暖热指标将进一步降低，因此2种方案都能提供更多的供热面积，均可满足远期供热需求。2种方案管道布置横断面见图1。图1中，4DN1 200 mm供热方案为分期实施，除考虑检修车辆通行外，还需充分考虑二期供热管道实施时的操作空间，故管道间最大净距按2.5m考虑，则供热管道所占横向空间约为10.86m；2DN1400mm供热方案为一步实施方案，主要考虑后期运行检修车辆的通行，管道间最大净距按2.3 m计，则供热管道所占横向空间约为8.11 m，比4DN1 200 mm供热方案减少了2.75 m。考虑到管桥建设的特殊性，管桥建成后基本不具备远期扩建的可能，而远期供热管网的建设具有诸多不确定性，如果在管桥建设时预留远期2DN1200mm供热管道的安装空间，则管桥的宽度会增加，将造成初期投资加大，且远期管道在管桥上还存在施工困难的问题。因此经过多次方案论证，从降低管桥初期投资、管桥敷设的特殊性、管道施工难度和统筹近、远期建设等方面综合考虑，最终确定将管桥上供热管道规格调整为2DN1 400 mm，以兼顾远期供热需求，同时管道敷设与管桥建设同步进行，以便最大限度地保障供热系统远期的供热能力。2.2管材与保温根据设计规范要求，DN1 400 mm供热管道选用螺旋缝焊接钢管，材质为Q235B，执行标准为GB30912015低压流体输送用焊接钢管。经应力计a）4DN1 200 mmb）2DN1 400 mm图12种方案管道布置横断面图Fig.1 Cross-sectional view of pipeline layout of two schemes程小松等：大口径供热管道在管桥上架空敷设的设计要点103Journal of Municipal Technology第41卷算，并考虑一定裕量，管道壁厚取18 mm。目前架空敷设的供热管道保温做法有现场保温和预制保温2种形式，保温材料有岩棉、玻璃棉和聚氨酯等，外护层薄板有热镀锌钢板、不锈钢板、铝合金板和彩钢板等。考虑到管桥上管道支架的特殊安装方式以及现场保温施工质量难以保证，决定采用“三位一体”形式的预制保温管。管桥上大口径架空敷设的供热管道采用具有保温效果好、结构严密、不易破坏、施工便捷等明显优点的工厂预制成品保温管。规范要求热网干线的计算温降应不大于0.1/km，架空敷设的供热管道保温层外表面温度应小于50。由于规范对保温要求相对较低，而对于城市供热主管道来说，保温性能要求又更高，所以为尽量减少供热主管道热损失，并考虑工厂预制模具尺寸、预制保温效果、抗老化性、防腐性和经济性，供、回水管道采用相同的保温结构，即116.8 mm厚的硬质聚氨酯保温层和1.2 mm厚的热镀锌钢板外护层。3管线布置和补偿器的选用3.1管线布置管桥上供热管道的布置形式按照补偿器和支墩位置的不同分为2种：方案1为对称布置，即供、回水管道的补偿器和支墩并排布置，其外形较为美观，但管道间距增加，增大了管桥宽度，回水管补偿器增多，也增加了管网投资；方案2为错落布置（见图2），即供、回水管道的支墩和补偿器错开布置，互相不受牵制，虽然美观性不如对称布置，但可进一步减小管道间距，缩小管桥宽度，节省管桥投资。但是，不论采用哪种布置形式，均需考虑桥梁伸缩缝的位置。如图2所示，供水管在管桥西侧、回水管在管桥东侧，为了保证分段补偿，在管桥两头和管桥中间均需布置固定支架，固定支架两侧设补偿器，靠近补偿器侧的管道下布置导向支架。管道固定支架间距的大小不仅影响工程投资的合理性，还将影响管道系统的安全，考虑到供水管比回水管设计温度高、热伸长量大，故供水管间距应略大一些。通过经济技术比较后，确定供、回水管道固定支架间距分别为150 m和200 m。3.2补偿器的选用架空敷设的供热管道常用的补偿器按类型分有：套筒补偿器、波纹补偿器、方形补偿器和旋转补偿器等；按内压是否可实现平衡分有：压力平衡型补偿器（即无推力补偿器）和普通补偿器。其中：套筒补偿器易泄漏、后期维护量大，对管道安装同轴度要求较高；方形补偿器和旋转补偿器占用空间大且不美观，受限于管桥空间，不具备实施条件；波纹补偿器补偿量大、安全性能好，还可以吸收一定的侧向位移，较适合管桥架空敷设的管道。经计算，在试压2.4 MPa条件下，DN1 400 mm供热管道的内压不平衡力高达380 t。考虑到压力平衡型补偿器可以大大减小固定支架设计推力，同时为降低供热管道的系统阻力，最终选用直管式压力平衡型波纹补偿器。1）供水管道热伸长量X=L（T2-T1）。式中：X为计算热伸长量，mm；L为固定支架间距，供水管取150 m，回水管取200 m；为工作钢管平均线性膨胀系数，取0.012 6 mm/m；T2为管道介质最高温度，；T1为管道安装温度，一般取10。2）补偿器补偿量供水管热伸长量计算值为207.9 mm，补偿器补偿量考虑一定富余后，取250 mm；回水管热伸长量计算值为126 mm，补偿器补偿量考虑一定富余后，取200 mm。3）补偿器参数根据供货厂家提供的技术参数，供水管补偿器轴向刚度为3.121 kN/mm，长度约为6 m；回水管补偿器轴向刚度为4.368 kN/mm，长度约为5 m。补偿器的有效截面积均为1.583 6 m2，最大外径为2 750 mm。4管道支架4.1支架间距经计算，DN1 400 mm供热管道满水自重约为2.08 t/m，考虑补偿器及附件质量，富余系数按10%图2管桥上供热管道错落布置方案（m）Fig.2 Random layout of heating pipes on pipe bridge104第5期考虑，取2.3 t/m。参考动力管道设计手册3中的计算公式，按强度条件计算支架最大允许间距可得：Lmax1=27.3 m；按刚度条件计算支架最大允许间距可得：Lmax2=29.6 m。考虑到风雪荷载和检修时临时荷载等因素，导向支架和滑动支架的最大布置间距设计取25 m。如前所述，固定支架间距按供水管150 m、回水管200 m考虑。4.2支架形式管桥上架空敷设的供热管道的支墩均采用混凝土结构，其相较于钢架支撑使用寿命更长、稳定性更好，一般在桥梁施工时按设计位置同步浇筑即可。在基础顶面通埋支架钢板，再将固定支架的管托焊在支墩上，导向支架、滑动支架管托垫层为聚四氟乙烯与不锈钢镜面。固定支架、普通导向支架和滑动支架支墩高约0.8 m，补偿器正下方导向支架支墩高0.25 m。4.3供水管支架受力计算1）计算边界条件设计温度、设计压力、强度试验压力、单位长度自重、补偿器轴向刚度等参数如前所述，管道与滑动支架摩擦系数按不锈钢镜面与聚四氟乙烯取值，=0.1。应力计算简图见图2。紧邻补偿器侧无固定支架处均设置导向支架，其余部分按间距25 m设置滑动支架。2）管桥两头固定支架受力计算垂直荷载G1：竖段长度10 m，水平段长度2.5 m，则G1=28.8 t，考虑富余，取60 t。水平推力FGA=FBC-Fw+（1-0.8）FN；%FBC=KXX，FN=PA103。式中：FBC为补偿器弹性反力，kN；KX为补偿器轴向刚度，kN/mm；X为补偿器热伸长量，mm；P为介质压力，MPa；A为补偿器的有效截面积，m2；Fw为弯头反力，kN（此处作为富余量考虑，取0）；FN为内压不平衡力，kN；0.8为抵消系数，作为安全裕量。代入数据计算得FGA=140.9 t，取180 t（按10 kN=1 t计，下同）。3）管桥中间固定支架受力计算垂直荷载G2：水平段长度25 m，则G2=57.5 t，取60 t。远离补偿器的固定支架GB水平推力FGB=（1-0.7）Ff+（1-0.7）FBC。式中：Ff为管道的摩擦反力，Ff=G2，kN。代入数据计算得FGB=29.8 t，取30 t。靠近补偿器的固定支架GC水平推力FGC=（1-0.7）FBC。式中：0.7为抵消系数。代入数据计算得FGC=19.5 t，取30 t。4）导向支架受力计算垂直荷载G3：水平段长度25 m，则G3=57.5 t，取60 t。轴向水平推力：FDX=6.0 t，取10 t。4.4回水管支架受力计算1）管桥两头固定支架受力计算垂直荷载G4：竖段长度10 m，水平段长度10 m，则G4=46 t，取60 t。水平推力FGA=FBC-Fw+（1-0.8）FN。代入数据计算得FGA=177 t，取180 t。2）管桥中间固定支架受力计算垂直荷载G5：水平段长度25 m，则G5=57.5 t，取60 t。水平推力FGB=（1-0.7）Ff+（1-0.7）FBC。代入数据计算得FGB=30.4 t，取30 t。水平推力FGC=（1-0.7）FBC。代入数据计算得FGC=16.6 t，取30 t。3）导向支架受力计算同供水管，垂直荷载取60 t，轴向水平推力取10 t。5管道间距管桥上供、回水管道的间距需要考虑管道施工操作空间和运行检修空间，管道间的净距还应保证小型施工车辆和检修车辆的通行；管线布置形式和补偿器安装位置也会影响中间通道的有效空间。经调研，管桥上通行的小型三轴检修车最大宽度约为2.3 m，管道焊接所需要操作空间的最小净距为0.6 m，因此要求管桥上供热管道和附件间距应能满足检修车正常通行间距的要求。为保证检修程小松等：大口径供热管道在管桥上架空敷设的设计要点105Journal of Municipal Technology第41卷通道净宽2.3 m，按照补偿器错落布置的方案，则DN1 400 mm供热管道中心间距最小为4.5 m。6管桥设计的条件由于管桥设计寿命一般为100年，供热管网设计寿命一般为30年，在管桥寿命期内供热管网必然会出现检修、更换等情况，故供热管道在管桥上敷设时不仅需要详细的设计工况参数，还需要给管桥设计人员提供安装工况、检修工况等相关参数。1）安装工况管道安装时一般不需要大型车辆上桥，所以只需考虑小型运输车辆在运输管件、吊装设备时的荷载（供热管道通常分段运输到现场，然后焊接成整体，每段管道长度为12 m，每段空管净重约为9 t，单个补偿器净重约20 t）即可。供热管道支架顶部为1层钢板，供热管道焊接在钢板上，与钢板的连接方式根据支架形式确定。其中固定支架为焊接，滑动支架为聚乙烯垫层与不锈钢镜面间的滑动连接。管桥起、终点经过管桥两头固定支架后，通过90 弯头下翻，落地后改为直埋敷设，下翻的竖管与桥墩基础净距不小于0.5 m；管桥两侧直埋敷设段均设置关断用的球阀阀门井。2）检修工况管道运行出现问题需要更换时，可以按照破损位置的长度进行切割，再按照更换长度进行焊接。运行检修车为三轴车，空车质量约为15 t，最大满载质量约为35 t。由于供热主管道运行期间水压力较大、水温度较高，若补偿器有渗漏，则可能有高温气体冒出，存在一定安全隐患，因此建议冬季供热期间管桥上供热管道附近不允许行人通行。7管桥敷设的设计要点1）由于管桥不具备远期扩建的可能，后期在管桥上再次敷设供热管道会比较困难，故供热管网管径的选取需结合远期综合考虑，可适当放大管径，以适应未来的供热需求。2）供热管道布置应进行多方面的比选优化，在确保工程安全和实际需要的情况下，可适当缩小管桥宽度，以便减少工程投资。3）供热管道间距应综合考虑设计、施工和运行检修情况，以便确保管道拉运、吊装等安装工作方便和后期事故情况下检修车辆的通行。4）供热管道的支架受力应进行详细计算，施工时还应注意固定支架与管道的焊接时间、顺序以及昼夜温差影响，否则可能会造成管道热态运行时拉脱固定支架。5）供热管道的工艺设计人员还需根据工程实际向管桥设计部门提供以下信息：供热管网最大检修荷载（整体荷载、分段荷载、水流动荷载）、补偿器最大范围的可能变形、管道能接受的最大挠度变形、管道系统详细参数（如管道、补偿器、支墩等）、支墩和补偿器的设置间距、支墩与桥梁连接方式、管桥起点和终点的管道落地方式、管道施工工艺、管道运输车辆和吊装车辆的荷载等。8结语结合实际工程，分析了大口径供热管道在管桥上架空敷设的设计要点，主要包括管道选择、管线布置方案、管道补偿方案、支架受力分析等，为确保供热管道应力安全、工程投资控制合理、施工相对便捷、后期运行维修方便提供了可靠的技术支撑。参考文献1李静，戴东辉，李孝恭.热水供热管道预热无补偿直埋敷设的设计J.煤气与热力，2006，26（12）：44-46.（LI J，DAI D H，LIX G.Design of hot water heating pipeline preheating withoutcompensation directlyburied layingJ.Gas&heat，2006，26（12）：44-46.）2中华人民共和国住房和城乡建设部.城镇供热管网设计标准：CJJ/T342022S.北京：中国建筑工业出版社，2022：18.（Min-istry of Housing and Urban-Rural Development of the PeoplesRepublic of China.Design standard for urban heating network：CJJ/T 342022S.Beijing：China Architecture&Building Press，2022：18.）3动力管道设计手册编制组.动力管道设计手册M.2版.北京：机械工业出版社，2020：329-331.（Power Piping Design ManualPreparation Group.Manual of power piping designM.2nd ed.Beijing：China Machine Press，2020：329-331.）其他作者：王玉虎，男，高级工程师，学士，主要从事城市供热工程设计、研究及咨询工作。郭六恒，男，高级工程师，学士，主要从事城市供热工程设计、研究及咨询工作。周国军，男，工程师，学士，主要从事城市供热工程相关技术管理工作。106