供热管道直埋敷设技术的探讨.doc

供热管道直埋敷设技术的探讨*
徐宝平　孙树林
　　摘要　探讨了直埋保温管道的敷设技术问题，对直埋保温管道的选择、埋设方式、埋设深度及管道补偿方式、补偿器的选用进行了介绍与分析，并借实例对管道支架所受推力进行了计算以确定最佳敷设方案；提出了施工注意事项，以保证施工质量、满足设计要求。
　　关键词　供热管网　直埋保温管道　补偿器　管道支架
　　中图分类号　TU822.2
RESEARCH ABOUT LAYING TECHNOLOGY OF DIRECTLY-BURIED HEATING PIPES
Xu Baoping　Sun Shulin
　　ABSTRACT　This thesis studies the question about laying technology of directly-buried thermal insulation pipes, introdues and analyzes the directly-buried thermal insulation pipes' choice、laying method、laying depth and pipes' compensation method、compensation choise and so on; and calculate, through example, the thrust on the pipe stand in order to decide the best laying method. This paper also provides construction points for attention, in order to insure construction quality, to meet the design need.
　　KEY WORDS　heating pipe, directly-buried thermal insulation pipes，compensator， pipe stand
1　概　　述
　　供热管网直埋敷设方式与管沟敷设方式相比，具有节能、节省投资、工程量少、工期短、占地少、不影响市容、使用寿命长、维修工作量小及高密度聚乙烯、氰聚塑外护套管耐腐蚀等许多优点，尤其适合于像天津开发区地下水位高、盐碱度大的地区。
　　直埋保温管常用的有两种，一种是“氰聚塑”直埋保温管，保温层耐温可达120 ℃，采用高温聚氨酯保温层可耐温150 ℃，这种直埋保温管制作工艺较简单，价格较低，且接头现场处理较为容易；另一种直埋式预制保温管，俗称“夹克管”，其机械、物理性能均优于"氰聚塑" 直埋保温管，但价格相对较高，接头处需进行热熔焊、塑料焊，并需进行热塑带缠绕加强，施工难度较大。
2　不同埋设方式的设计计算
　　供热管道直埋敷设目前有三种作法，一种为无补偿直埋敷设；第二种为有补偿直埋敷设；第三种是介于前两种之间的一次性补偿直埋敷设。本文主要讨论第一种和第三种直埋方式。
2.1　无补偿直埋敷设
　　无补偿直埋敷设即利用土壤与管道间的摩擦力阻碍管道的伸缩，当土壤与管道间的摩擦阻力之和等于或大于管道膨胀力的时候，管线便不再伸长，即可不加补偿器。此种埋设方式适用于
95 ℃以下的低温供热管线。管线的单位长度摩擦阻力为：
　　P=π×D×K×μ
　　假设当管线长度达到L时，膨胀力与摩擦力相平衡，则L管段以外的地下管线就不再伸长。有：
　　π×D×K×μ×L=α×E×(tp-ts)×f
　　L= α×E×(tp-ts)×f/（π×D×K×μ）
　　K=〔γ×H0+γ×H0+tg2(45°-θ/2)〕÷2
　　例如325×9管，保温层外径为0.425 m，H0=1.5 m,tp=95 ℃,ts=0 ℃,代入上式计算得出L=231 m。即231 m以外的管线无伸长。且由于摩擦阻力的作用，管线的伸长量实际上只有同等长度的不埋地管线的一半。经现场实际观测，基本相符。所以231 m管线的伸长量应为：
　　ΔL=α×L×(tp-ts)/2=0.134 m=134 mm
　　以上结果表明，在这种条件下，325×9的直埋管线无论有多长，最多只有134 mm的伸长量，且这个伸长量体现在该管线的两端，即每端的伸长量仅有67 mm。如果该管线的两端是弯头，尽管埋在土中，但仍能有部分弹性变形及塑性变形，其应力值不会超过许用应力。如果该管线的两端是出土端，出土管线只要适当采取措施吸收67 mm的伸长量即可。如果对该管线加以预热处理，先升温至50 ℃左右，维持这个温度达2小时后再开始回填土，分层夯实，然后再进行降温，由于土壤的摩擦力，管线已恢复不到原有的长度，实际上是对该管线施行了预拉伸。当管线正常运行时，该管线的实际伸长量为：
　　△L=α×L×（tp-ts）/2=0.064 m=64 mm
　　预热后更增加了管网的可靠性。
　　管线埋深应考虑以下两个问题：
　　(1) 保证管线不失稳
　　热管线运行时，轴向应力很大，只有覆土深度超过一定的值，才能使其保持稳定。其条件是土壤对管线的压力应大于管线的热膨胀力。有关资料介绍了临界覆土深度的算式：
　　Hkp=(A-g管-g液)/（D×γ）

　　(2) 管线埋深须满足行车的动荷载
　　通常，管线埋的越深，作用在管线上的动荷载压强就越小。其关系式如下：
　　P=Q×（1+i）/〔(H0+10)×275〕
　　当埋深1 m时，取Q=8 000 kg，i=0.45,则P=0.383 kg/cm2。氰聚塑保温管的综合抗压强度大于8 kg/cm2,强度没问题。一般情况下，只要能满足管线不失稳的条件就能满足行车的要求。
2.2　一次性补偿直埋
　　这种直埋方式在管道某处设置固定支座及一次性补偿器，将管线预热至运行温度的一半左右，一次性补偿器吸收管线膨胀并变形，然后将一次性补偿器焊牢，使其失去补偿作用而成为管线的一部分，降温时管线受拉应力，正常运行时管线受压应力，但都在管线的许用应力以内，管线能安全运行。这种直埋方式适用于120 ℃以下的高温水管线及达不到稳定要求埋深的管线。天津开发区4#热源厂供热管网水温120～80 ℃，主干管直径600 mm。方案1如图1所示。

图1　方案1
　　预热温度：ty=tmax-44.4-pmax×di/168S
　　钢管规格:600×9; P:8 kgf/cm2, tmax:95℃;将上述数据代入上式得: ty=72.3 ℃。我们认为此温度偏高，经比较确定ty=65 ℃。
　　一次性补偿器的补偿量△X：
　　△X=0.012×L×(ty-ts)=191 mm
　　选用YCB630-26-560型波纹一次性补偿器，最大补偿量260 mm，两固定点间允许最大距离
288m，可以满足要求。
　　管线强度校核，对于直管段：
　　当温度由65 ℃升至120 ℃时，管线轴向热应力（压应力）为：
　　δ热=α×E×△t=1 328 kg/cm2
　　由内压力产生的轴向应力为：
　　δ 内=p×di×β/2S=82 kg/cm2
　　δ轴=δ热-δ内=1 246 kg/cm2
　　δ轴<〔δ〕=1 400 kg/cm2(120 ℃时的值),所以能够安全运行。
　　当管线由65 ℃降至5 ℃时（冬季管线停运），管线受拉应力，此时：
　　δ内=0
　　δ热=1 449 kg/cm2
　　δ轴=δ热=1 449 kg/cm2
　　δ轴<〔δ〕=1 460 kg/cm2(20 ℃时的值),能够安全运行。 为了减小固定支架1的推力，特提出方案2，如图2所示。

图2　方案2
　　方案2比方案1多增加一个固定支架，且在架1与架2之间，架4与架5之间各加一个直埋式波纹管补偿器，其目的是为了用L2与L7管段与土壤的摩擦力平衡L3、L4及L5、L6热应力，各支架受力情况如下：
　　(1) 架1受水平推力情况(按正常运行考虑)
　　H1=PL+ Pm1'+PF-PK2'-P×A
　　PK2=K2×△X2'
　　△X2'=0.012×(tmax-ts)×L2=176.4 mm
　　选用16CTB600-240型直埋式波纹补偿器，补偿量240 mm，K=46.5 kg/mm,有效量240mm,
K=46.5 kg/mm,有效面积A=3 494 cm2。
　　PK2'=46.5×176.4=8 203 kg
　　P×A=8×3494=27 952 kg
　　H1=15000+27682+23536-8203-27952
　　　=30 063 kg
　　(2) 架2受水平推力工况
　　① 预热施焊前
　　H2=（Pm3+Pk3+P×A）
　　　-0.7×(Pm2+Pk2+P×A)
　　两种补偿器的A值相同，A=3 494 cm2。
　　Pm3=T×L3×μ =8 394 kg
　　Pm2=8 394 kg
　　Pk3=k3×△X3
　　△X3=0.012×(L3+L4)×(ty-ts)=191 mm
　　Pk3=46.5×191=8 882 kg
　　Pk2=K2×△X2
　　△X2= 0.012×(ty-ts)×L2=96 mm
　　Pk2=46.5×96=4 464 kg
　　P×A=8×3 494=27 952 kg
　　H2=(8 394+8 882+27 952)=16 661 kg
　　② 施焊后正常运行时
　　H2'=〔α×E(tmax-ty)-δ内〕×f-Pm2'-Pk2'
　　Pm2'=π×D×K×μ×L2=169 554 kg
　　H2'=41 111 kg
　　(3) 架3受水平推力情况
　　①　预热施焊前
　　H3=（Pm4+Pk4+PA）-0.8×(Pm5+Pk5+PA)
　　Pm4=Pm5=Pm3=8 394 kg
　　Pk4=Pk5=Pk3=8 882 kg
　　H3=9 019 kg
　　　　②　施焊后正常运行时
　　H3'=〔α×E(tmax-ty)-δ内〕×f
　　　-0.8×〔α×E(tmax-ty)-δ内〕×f
　　　=0.2×218 868=43 774 kg
　　架4、架5所受推力分别与架2、架1相似，计算从略。综合以上计算结果，各固定支架受推力如下：架1、架5：30 000 kg；架2、架4：41 000 kg；架3：44 000 kg。实际计算时，加1、架5
按30 000 kg，架2、架4按45 000 kg。此方案采用了直埋波纹管补偿和一次性补偿相结合的形式，解决了端头固定支架所受推力过大的问题。此管网已于1993年竣工并投入运行，运行一直很稳定。
3　施工注意事项
　　(1) 施工中沟槽要平整，保证槽底干燥，且需要作200 mm左右厚的细砂垫层，保温管两侧及上部至少应覆盖200 mm左右厚的细砂。其目的一是防止硬物损坏保温外套管，二是利用砂子的流动性，充分填充管道周围的空隙，以保证足够的摩擦力。
　　(2) 管道试压完毕后，方可进行接口发泡处理，要注意保证钢管及高密度聚乙烯外套管表面洁净及干燥，确定无误后方可进行热熔焊或热风焊，要求接口处外套管、焊条的材质与保温外套管的材质相同，且无漏焊处，再将焊接处进行打磨处理，用热缩带缠绕、加热粘贴以加强外套管的联接强度后，再进行发泡处理。发泡后的孔隙处理同接口处理。
　　(3) 要按设计要求进行预热，尤其是带有固定支架的直埋管线，必须按要求进行预热。预热至设计温度时要保证温度的恒定，供回水温差不得超过2～3 ℃，并保持到一次性补偿器施焊完毕或回填土全部完成方可降温。对于大口径管线还要注意预热温度达到均匀，因管线管径较大，常会发生管内介质冷热不均的情况，应适当提高管内介质流速来解决。
　　(4) 回填土要分层夯实。回填土的质量对于管线的安全运行非常重要，尤其是设固定墩和一次性补偿器的管线更为重要，一定要给予重视。
符号说明
　　A-补偿器的有效面积，cm2;
　　D-保温层外径,m；
　　di-钢管内径,mm;
　　E-钢管弹性模量,1.98×1 010 kg/m2；
　　f-钢管壁横截面积,m2 ;
　　G管-单位长度管材及保温层总重,kg/m;
　　G液-单位长度管线内介质总重,kg/m;
　　Hkp-临界覆土深度，m
　　H0-管中心至设计地面的土壤埋深,m;
　　i— 冲击系数0.4～0.5;
　　J-钢管壁截面贯性距,m4;
　　K-作用在管子表面的平均土压强,kg/m2；
　　L-能伸长的管段长度,m；
　　△L-管线伸长量,mm;
　　P-作用在管线上的动荷载压强,kg/m2;
　　Pmax-管线最高工作压力,kgf/cm2;
　　PK2'-直埋式波纹补偿器在正常运行温度下的弹性力，kg；
　　Pm3-回填土前管段L3与土壤摩擦力,kg；
　　Pm2-回填土前管段L2与土壤摩擦力,kg；
　　Pk3 -一次性补偿器的弹性力,kg；
　　Pk2 -直埋式波纹补偿器在预热温度下的弹性力,kg；
　　Pm2'-管段L2回填土后与土壤的摩擦力， kg；
　　Pm4、Pm5-为管段L4、L5回填土前与土壤的摩擦力， kg；
　　Pk4、Pk5-为一次性补偿器预热时的弹性力， kg ；
　　Q-一个车轮的重量，kg；
　　S-钢管壁厚,mm;
　　T-每m管线总重量 (管材、保温、水),kg/m;
　　ty-预热温度,℃;
　　tmax-管内介质最高温度,℃;
　　tp-运行时管线水温,℃;
　　ts-安装环境温度，以ts=0 ℃；
　　△X2-预热温度下的伸长量，mm;
　　△X2'-正常运行温度下的伸长量，mm;
　　α-钢管线胀系数1.22×10-5,m/℃.m；
　　β-泊桑系数0.3;
　　γ-土壤平均容重1 700 kg/m3
　　δ热-应力（压应力）,kg/cm2;
　　δ内-泊桑应力（拉应力）,kg/cm2;
　　δ轴-轴向应力,kg/cm2；
　　θ-土壤内摩擦角,θ=30°;
　　μ-土壤与管道的摩擦系数0.4。
作者单位：徐宝平　孙树林　天津经济技术开发区总公司建设部，天津300457

摘要：本文针对石家庄市栾城县大桥路供热管网改造工程，结合现场施工，就其直埋供热管道的结构特点、有偿直埋敷设、试水试压作了简要介绍，并对管网在试水试压阶段出现的一些现象进行浅析，同时提出了一些直埋聚氨酯管道的设计和施工要点。
关键词：直埋敷设  保温管  有补偿  试水试压
0 引言
石家庄市栾城县大桥路沿线的供热管网于1990年安装运行已有18年，大部分已出现渗漏现象，已到彻底更换周期。随着大桥路改造，供热管线随着道路改造联动更新换代，其改造方案为：由宏源热电厂引出Φ325蒸汽管道送至大桥路农机公司，延伸Φ219管线至新开街工商银行处。在农机公司及大桥路与新开街交叉路口东南两处分别建换热站。此方案总投资约为730万元。
1 直埋敷设
直埋敷设是将管道直接埋设在土壤里的敷设方式。在热水供热管网中，无沟敷设在国内外已得到广泛应用。
1.1 直埋管道的结构特点 供热管道直埋结构由供热管道、保温层和保护外壳三部分紧密结合在一起，形成整体式的预制保温管结构，也称“管中管”。保温层材料多采用硬质聚氨酯泡沫塑料，其优点是密度小、导热系数低、保温性能好、吸水性小、机械强度较高。缺点是耐热温度不高。根据现行《高密度聚乙烯外护管聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管》（CJ/T114-2000）的要求：密度为60-80kg/m3，热导率λ≤0.027W/(m·℃)，抗压强度p≥200kPa，吸水性g≤0.3kg/m2，耐热温度不超过120℃。保护外壳多采用高密度聚乙烯硬质塑料管，其特点是力学性能较高，耐磨损，抗冲击性能较好，化学稳定性好，具有良好的耐腐蚀性和抗老化性能，可焊接且便于施工。根据国家标准：高密度聚乙烯外壳的密度≥9400kg/m3，抗拉强度≥20MPa，断裂伸长率≥350%。另外，玻璃钢也是一种常见的管中管保护外壳，其优点是抗压强度较高，耐蚀性能好，造价低，缺点是抗老化性能不如高密度聚乙烯。
供热管道直埋敷设不需要砌筑地沟，土建工程明显减少，施工进度较快，可节省供热管网的投资。直埋结构占地较少，易于与其他地下管道和设施相协调。整体式预制保温管严密性好，管道不易腐蚀，使用寿命长。由于受土壤摩擦力的约束，预制保温管可实现无补偿直埋敷设，节省了基建费用，也缓解了现今综合管线各专业管系繁多、路面紧张的局面,利用保温管直埋敷设技术节省了大量空间。
1.2 有补偿直埋敷设 有补偿直埋敷设分为有固定点和无固定点两种方式。当管道温度过高或难以找到热源预热或不适于大面积敞开预热时，则可采用有补偿直埋方式。
1.2.1 有固定点直埋敷设。在补偿器两侧设置固定点，补偿器到固定点的间距不得超过管道最大安装长度，固定点所承受的水平推力为土壤对管道保护层的摩擦力。设计时，要考虑到由于土壤条件变化而造成的摩擦系数的变化。施工时，还要特别注意确保设计计算的热膨胀位移在运行时能够实现，在管网中采用固定支架来控制膨胀位移。
1.2.2 无固定点直埋敷设。对于无固定点有补偿的直埋敷设，首先应在管网平面布置及纵剖面上校核两个直管段是否超过最大安装长度Lmax的2倍。若L≤2Lmax，则需校核直管段两自由末端的自然弯管是否能吸收掉直管段的实际热伸长量；如果直管段长度L>2Lmax，则还需在L管段上设置补偿器，直到所有不带任何补偿器的直管段长度均不超过2Lmax为止。另外，只有在管段两端同为同一类型补偿器或补偿段时，直管上才可不设固定墩。有补偿直埋附设可以及时回填管槽，且运行安全，因此，被广泛应用于高温热水管网的地下敷设。采用有补偿直埋敷设的方法，宜选用“L”型、“乙”型、方形补偿器，并在这些补偿器部位做局部管沟；也可选用波纹补偿器、套管补偿器，将其置于检查井内，以便于检修。
例如，本改造工程设计，施工段在大桥路南侧便道，地处闹市区，地下各种管线交叉错乱，供热管网室外主干线全部采用直埋敷设，兼顾了社会效益和环境效益。同时，热水管道热补偿选用了“Ω”型1.0MPa级直埋型波纹管补偿器，直管段不设固定墩，为无固定点直埋敷设。热水管道保温采用聚氨酯保温，外壳首次采用5mm厚高密度聚乙烯硬质塑料管做保护。据厂家试验，氰聚塑保温管的使用寿命在15年以上，“管中管”保温管的使用寿命是35年～50年。
2 管道试压
管道安装完毕后，要进行管道水压实验，本工程供热管网设计工作压力是0.8MPa，试验压力为1.2MPa，分段试压后应做整体试压。
集中供热管网的管道直径大、管路长、用水量多、注水极慢，故可采用多位置贮水电动注水。管道试压一般按以下步骤进行：①缓慢向试压管道中注水，同时排出管道内的空气，水进入管道以防水锤或气锤。②强度试验:升压应缓慢进行，达到工作压力时，恒压3min，检查两端管身及接口，无异常情况后继续升压，升至试验压力1.2MPa，稳压0.5h，检查各接口、管身无破损及漏水现象且表压降不超过0.02MPa，试压合格。③管道试压合格后，进行水冲洗。④水压试验应做好各项记录。水压试验时，严禁对管身、焊口等部位进行敲打或修补，如有缺陷，卸压后修补。⑤水压试验完毕放水时，应先打开排气阀，防止因放水形成真空损坏管道。
例如，该工程施工中，施工队伍采用分段打压试验，自行选定分段点设临时盲板，盲板力没有作用在主固定支架上，打压两端没有固定支撑，分支管道未焊接。在泰安街至新开街段供水管道注水试压过程中，在达到试验压力1.2MPa后，经检查发现，离打压点近端的一台1.0ZBM250-250波纹管补偿器出现向外拉伸现象，补偿器一侧的限位拉杆固定端被顶坏并且向外拉展，致使补偿器损坏。我们分析造成该现象的原因有：①是补偿器自身质量偏差较大，波纹管不能承受试验压力，在水压作用下推力相差太大而向外拉伸；②是打压段供热管道没有固定端同时分支管线也未焊接致使在水压作用下管道自由项两端伸展，固定在补偿器一侧的限位螺杆焊接部位承受受不住内压推力影响而外移拉伸。
就该现象我认为：①水压试验措施设计中应预先考虑水压试验方案。试压前补偿器两端必须设固定支架，或打压直管段两端必须有固定点，以防止管道受内压推力影响外移拉伸；②波纹伸缩器的安装，建议在安装补偿器前先将管段敷设好，然后在准备安装补偿器处将管子割下一段（其长度等于补偿器的自由长度加预拉伸量），再将补偿器装上去焊接，采用割管法安装的办法。虽然造成少量管道浪费，却能保证管道同心度；③应注意不准在补偿器上吊装绑扎或焊接打火，以免碰损压伤；还要注意内套筒方向与介质流动方向一致，不准采用使波纹补偿器变形的方法来调整管道安装偏差，所有活动元件不得被外部构件卡死或限制其活动范围；④试压前应将盲端可靠固定。最好的办法是设计中预先考虑水压试验或吹扫方案，打压的分段点的位置最好由甲方、设计方、施工单位共同确定，由设计单位负责技术交底，甲方根据设计单位意见组织实施。
3 直埋聚氨酯管道其他一些设计及施工要点
3.1 直埋聚氨酯管道设计及施工，应遵守规范CJJ34290《城市热力网设计规范及规范》、CJJ28289《城市供热工程施工及验收规范》中的有关规定。
3.2 直埋聚氨酯管道适用于输送低压蒸汽、热水等气体和液体，一般温度不超过120℃，采用聚氨酯保温时可达到150℃。
3.3 直埋聚氨酯管道的埋设深度，根据计算当覆土深度为0.5m时，其承载能力可保证载重10t卡车安全通过，但一般规定直埋聚氨酯管道应埋设在当地的冰冻线以下。
3.4 直埋聚氨酯管道的沟槽开挖尺寸，可按下列原则确定：管子与管子之间净距为200mm～250mm；管子与沟壁之间净距为200mm～250mm；管底与沟底之间净距为200mm。直埋聚氨酯管道沟槽内管子周围要填砂，然后回填土分层夯实。
3.5 管道的排水与放气。为了保证排水与排气顺利进行，应根据管段所经地区的地形状况来确定管道的坡度，管坡一般不小于2‰，室外热水管道的坡向，因受地形限制不可能都满足坡向与水流方向一致的要求，尤其是直埋敷设的管道。放气装置一般应设在管段的最高点，（包括分段阀门划分的每个管段最高处），放气阀门的管径一般采用DN15～DN32mm。为了在系统停止运行时，或在某段管道需维修时排出管道中积水，应在热水最低点安装放水装置。
3.6 所有检查井（其中安装补偿器及阀门）都应采用C15或C20混凝土浇灌的防水井，严防地下水渗漏到井内。
3.7 直埋聚氨酯管道穿过公路时，应加套管或做成管沟，管沟上面铺盖钢筋混凝土盖板。
3.8 接头处理，当安装直埋保温管道时，其管道接口处、管道与阀门、补偿器连接处，均需在现场制作氰聚塑保温结构。操作时周围环境温度应保持在10℃以上，最低温度不低于5℃。
3.9 保温管在搬运时，应在管道系绳处设护套，切忌勒痕或与尖物接触，以防损坏。在堆放保温管道时，应在管端光管处用支垫垫起。若保护层不慎损伤时，应在损伤部位涂复浸透不饱和树脂的玻璃布。
4 结语
以上为石家庄市栾城县大桥路供热管网改造工程施工中的几点体会及施工注意要点，希望能在以后工作中对大家有所帮助。
参考文献：
[1]王亦昭，刘雄.供热工程.北京：机械工业出版社.2007.
[2]田玉卓，闫全英，赵秉文.供热工程.北京：机械工业出版社.2008.
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