DN1200供热管道补偿器泄漏抢修方案可行性分析.pdf

54区域供热2023.5期DN1200供热管道补偿器泄漏抢修方案可行性分析李阳（天津市热电有限公司，天津300181)摘要：补偿器作为供热管线中的重点设施，承受着管网热胀冷缩引起的应力变化，属于管网设施的薄弱点位。为研究大管径长输管道补偿器泄漏抢修方式，以DN1200供热管道补偿器为例进行分析，从运行工况、应力分析、施工工艺等方面分析利用带压焊接套筒抢修大管径补偿器泄漏的可行性，为供热企业的大管径直埋供热管网补偿器泄漏抢修工作提供有价值的参考。关键词：供热；抢修；应力；补偿器；套筒；焊缝强度DOI编码：10.16 6 41/11-3241/tk.2023.05.0071引言随着集中供热系统的规模越来越大，管网输送距离持续增长，管网的安全运行关系着千家万户的供热质量。作为热力管线中管道位移的重要补偿部件，补偿器有多种类型，其运行状态影响着整个热网的供热平稳性 2。目前，对于补偿器工作状态监测预警的研究已有很多 3，但针对大管径补偿器供热期间突发泄漏抢修方法的研究尚不完善 4。本文以公司主管网某处DN1200供热管道补偿器为例，通过应力分析来探索紧急泄漏抢修方案的可行性，并研究套筒制作方法，以缩短抢修时间，做好应急预案，降低损失，为供热企业的大管径直埋供热管网补偿器泄漏抢修工作提供有价值的参考。2运行背景天津市热电有限公司为天津市最早成立的热电联产集中供热企业，一次管网路由长度约50 0 km。随着负荷的不断增加，管径大小和管网长度也随之增长。本文所选点位为军电二期管网主干线DN1200补偿器位置，管网运行年限9 年，设计最高工作压力为1.6MPa，温度为130，实际运行最高压力为1.3MPa，最高运行温度为10 0。补偿器为单向外压直埋轴向型补偿器，工作波纹管波数为12 个，补偿量为2 8 0 mm。供热开始后，电厂受电负荷影响偶尔出现较大温度波动，管网也面临着短时间内压力的迅速变化，极易引发泄漏。为应对突发情况，提前分析运行情况，制定应急预案十分重要。3制定抢修措施3.1管网简介所选补偿器敷设位置如图1所示，埋深2m，自西向东分别为西侧固定墩、45弯头、补偿器、东南侧固定墩。根据历年采暖季运行情况，当日室外温度2，当前运行压力1.3MPa，供水温度7 0。若该点位补偿器在深冷供热期发生泄漏，由于泄漏位置处于主干线，管径较大，关闭前端阀门更换新补偿器必将导致50 0 万平方米供热面积的长时间停热。因此，常规抢修方式并不适用该情况下，需在最大程度保证供热质量的前提下制定552023.5期区域供热45弯头西侧现状固定补偿器东南侧现状固定军电二期主管网DN1200供水回水图1管网平面图最优的方案。在众多带压抢修方案中，选取在补偿器外部直接焊接套筒的方法最为稳妥，承压更高，还可避免二次泄漏的发生，在泄漏水量可控的情况下不影响焊接质量。3.2管道应力分析采取焊接套筒法抢修意味着该补偿器将失去其补偿作用，在后期供水温度升降过程中，补偿器两端管道应力变化情况关系到管网的安全稳定运行 5，因此必须进行管道应力分析，以确保此补偿器失效后的管网可承受后续升温引起的应力变化。对于直埋管道来说，管道产生的应力主要是管内介质的内压力和管道发生轴向位移时的土壤轴向摩擦力 6 ，以及管道发生侧向位移时的土壤侧向压缩反力。七壤轴向摩擦力：f=元pg(H+Dw/2)Dw+G(1)式中：f一轴线方向每米管道的摩擦力,N/m;一外管壳与土壤的摩擦系数；一土壤密度，kg/m，一般砂土取值为1 800 kg/m;g一重力加速度,m/s;H一管顶覆土深度，m;Dw一预制保温管外壳的外径，m；G一每米预制保温管的满水重量,N/m。管道轴向应力：oZ=F/A(2)式中：oZ一管道轴向应力，MPa;F一管道轴向力,N；对于处在过渡段的管道F=fL，L 为过渡段长度，m；A一钢管管壁横截面积，mm。通过计算，对于DN1200的预制保温管埋深在1.2 1.5m时，由管道自重引起的轴向应力约占上式计算轴向应力的10%左右。对于不在过渡段内的管道，当轴向应力大于屈服极限时，取为屈服极限值。3.3抢修方案应力计算3.3.1初始设计校核利用智能化管道应力分析软件（START-PROF)计算不同工况下的管网应力情况，该软件可根据运行工况及管道材质参数计算各点位应力值和许用应力最大值。军电二期DN1200主管网日常运行最高压力1.3MPa，最高温度10 0，在最高参数运行状态下，无补偿器施工时的计算最大应力位于弯头处2 7 3.8 4MPa，弯头处设计许用压力值为36 4.5MPa，弯头处位移量9 9.7 6 mm；最大轴向应力位于西侧固定处319.2 7 MPa，西侧固定处设计许用压力值为2 18.6 7 MPa。由此可见，无补偿器施工时，在管道最大运行参数下，最大轴向应力位于西侧固定墩位置处，远超设计许用值，故此位置需加装补偿器。加装补偿器后同样运行工况下，最大应力位于弯头处18 0.9 MPa，弯头处设计许用压56区域供热2023.5期力值为36 4.5MPa，弯头处位移量52.15mm；补偿器处位移量44.9 8 mm，补偿器变形量110.5mm；最大轴向应力位于西侧固定处171.36MPa，西侧固定处设计许用压力值为218.67MPa。加装补偿器后该位置各点位压力均在设计许用值范围内，故该点位设计值合理。3.3.2泄漏运行状态应力分析若泄漏当日管网运行温度为7 0，补偿器设计最大补偿量为2 8 0 mm，根据当前运行工况压力1.3MPa，温度7 0（带补偿器）计算后，最大应力位于弯头处132.7 7 MPa，弯头处设计许用压力值为36 4.5MPa，弯头处位移量37.3mm；补偿器处位移量36.39 mm，补偿器变形量7 5.7 6 mm；最大轴向应力位于西侧固定处12 0.6 4MPa，西侧固定处设计许用压力值为2 2 1.13MPa。3.3.3焊接套筒后应力分析由于主管网所带负荷较大，若关闭管网前端阀门泄水以更换补偿器进行抢修，耗时较长，且需要停热，故选择在不拆除补偿器的情况下，在管道外部焊接DN1800临时套筒。由于泄漏时管网运行水温7 0，补偿器变形量已为7 5.7 6 mm，若焊接套筒等同于补偿器在此变形量状态下失效，无法继续起到补偿作用，而管网在深冷期还会升温，存在热胀冷缩位移量，故需校核在水温7 0 时做临时措施焊接套筒使补偿器失效后，管网升温到最高温度10 0 时和降温至停热温度时，管网各处应力是否在许用值以内。首先计算管网升温到10 0 时，最大应力位于东南固定处10 0.4MPa，东南固定处设计许用压力值为36 1.6 9 MPa；弯头处位移量42.98mm；最大轴向应力位于东南固定处71.11MPa，西侧固定处设计许用压力值为218.67MPa，由此数据可得出结论：在泄漏工况下焊接套筒做临时措施，尽管会使补偿器失效，但保持其在7 0 变形量的基础上，焊接套筒温度升温到10 0 时，管网应力较大点的应力均在设计许用值范围内，故应力分析判断该抢修措施应对升温工况是可行的。计算管网降温至停热温度时数据，停热温度取15，最大应力位于东南固定处67.57MPa，东南固定处设计许用压力值为181.69MPa，由此数据可得出结论：在泄漏工况下焊接套筒做临时措施，尽管会使补偿器失效，但保持其在7 0 变形量的基础上，焊接套筒温度降温到15时，管网收缩后应力较大点的应力均在设计许用值范围内，故应力分析判断该抢修措施应对停热降温工况是可行的。3.4套筒抢修施工3.4.1套筒制作工艺选取点位管径为DN1200的单向外压直埋轴向型补偿器，补偿器包含了工作波纹管和保护波纹管。其中工作波纹管在实际工况中与工作介质热水接触，将波纹管与外界环境隔绝，从而起到隔离工作波纹管，避免其与外界环境接触的作用，延长工作波纹管使用寿命，但保护波纹管不能承受介质压力。具体结构示意图如下页图2 所示。在补偿器外直接焊接套筒可将整个失效补偿器完全封闭，无需确定泄漏位置，在抢修临时措施中最为保险。根据补偿器结构，套筒空间需包含工作波和保护波等全部附属部件，为保证焊接质量及施工空间，焊接套筒规格选取DN1800，先将外套管分为两部分，再用壁厚16 mm的钢板制作内径为DN1200、外径为DN1800的圆环，封闭两侧，在下半部分套筒开孔焊接泄水阀门，保证焊接时热水从阀门流出，不影响焊接质量。制作工艺如下页图3所示。为节省抢修时间，可根据实际情况要求供热公司的运行维护单位提前在抢修物资备品备件时根据型号做好不同大小的套筒，以备应急需要。3.4.2套筒安装焊缝强度分析套筒在制作过程中环形封板与外套钢管57云可刚小总区2023.5期区域供热端管组件外保温外护筒外管1限位板组件工作波纹管中端板外管2 保护波纹管隔土罩出口管介质流向图2膨胀节结构示意图加强肋板工作管环形封板补偿器齐套筒泄水阀门套筒制作示音图套筒H-300cmKF补偿器焊缝高度F(a)(b)图4套筒焊口示意图及工作钢管之间均以角焊缝方式焊接，为保证套筒整体强度满足后期运行过程中因温度变化而引起的应力冲击，需要对焊口强度进行验算。套筒角焊缝的分布如图4(a)所示，环绕工作管焊缝长度L为工作管的周长，焊缝长度及焊缝高度如图4(b)所示。焊口受剪切外力时的应力计算公式：FT1.4Kl(3)强度校核要求：T(4)式中：t一焊缝受外力作用的应力，N/cm；t一焊缝许用应力，N/cm；F一外加荷载,N;58区域供热2023.5 期K一焊脚高度,mm;一焊缝长度,mm;以DN1200工作管与环形封板之间的角焊缝为例进行强度校核计算。F按照焊接套筒升温后计算数据取值，东南固定处取最大应力10 0.4MPa进行计算；焊缝许用应力t按照焊接套筒升温后的材料应力许用值361.69 MPa的0.6 倍取值。将数据带人式（3）、式（4)计算可以得到：K5.3mm，也就是说，要使套筒焊缝强度符合要求，焊缝焊脚高度必须大于5.3mm。同时，为确保套筒焊接牢固，在套筒两端与管道焊接处，围绕管道外壁焊接16 块三角铁板作为加固肋板与套筒相连接，起到加固作用，进而保证套筒在后期运行中的安全可靠。4结论选取DN1200供热管道补偿器为例进行分析，为供热公司采用套筒抢修大管径补偿器泄漏提供了理论参考，充分证明了对于管网可能存在的泄漏薄弱点位提前做好抢修方案可行性分析十分重要，在突发情况时可明显缩短抢修时间，降低供热公司的损失。采用套筒作为抢修临时措施是最常用的一种带压抢修方法，对于大管径补偿器泄漏同样具有很高的适用性，提前对管网薄弱点位做全面的应力分析，在满足最大应力许用要求的情况下，按照套筒制作相关要求，带压焊接套筒抢修方案可行，并且无需停热。提前做好应急预案，安排维护单位做好抢修物资备品备件，更有利于开展抢修工作。参考文献1闻青山大管径长输供热管道施工关键技术实践 J.区域供热，2 0 2 0（3）：135-139.【2 】简林桦供热管网旋转补偿器的应力分析建模与工程应用 J.区域供热，2 0 2 0（4)：10 5-10 9.3李远付供热管网设计中轴向波纹补偿器的选用.区域供热，2 0 17（3）：116-119.4王婷婷，苏红乡，波纹补偿器在城镇供热管网设计中的选型及计算分析 中国建筑金属结构,2 0 2 0(9):6 6-6 7+7 1.5 李昱林某市热力管网金属波纹膨胀节泄露事故原因分析 J.甘肃科技纵横，2 0 19，48（3）：30-32.6 赵宏，王亚楠长输供热管线波纹补偿器运行状态分析 J.区域供热，2 0 19(5）：8 0-8 4.