直埋供热管道设计

直埋供热管道设计（精选8篇）

直埋供热管道设计 篇1

供热直埋敷设的管道, 一般采用一有补偿敷设, 需设置固定支座、补偿器, 供热管道的轴向应力低, 是比较成熟的敷设方式。二无补偿冷安装, 安装简单, 当应力过大时可在管道局部设置少量补偿器和固定支座, 施工期短。这种设计方式轴向应力大, 所设管道支墩需要承受较大的管道推力, 固定支墩的结构尺寸必须保证它在各种力的作用下保持平衡和稳定。

这种情况下固定支墩所受荷载组合:

(1) 正面的轴向推力Hx;

(2) 背面土反力Ep;

(3) 底部和支墩两侧与土壤间的摩擦力F1;

(4) 支墩上表面与土壤间的摩擦力F2。

根据受力平衡, 固定支架抵抗推力按下面公式计算。计算时为了简化, 暂时以单管为例, 实际工程计算时应将供、回水管分别计算出推力后, 并给予组成合力作为推力计算。

在工程设计时, 如保证固定支墩稳定, 则考虑T≥Hx (式-1)

式中:Hx—固定支墩承受的推力, kg (或t) ;

T—固定支墩抵抗推力, kg (或t) 。

其中:抵抗推力T=F+KEp (式-2)

式中:T—抵抗推力, kg (或t) ;

F—总摩擦力, kg (或t) ;

Ep—被动土压力, kg (或t) 。

总摩擦力F=μ (P+2Eɑ) (式-3)

式中:μ—土壤与混凝土摩擦系数, 一般取0.6;

P—固定支墩重+2倍支墩上部复土重, kg (或t) ;

Eɑ—主动土压力, kg (或t) ;

K—安全系数, K=0.7。

主动土压力Eɑ=1/2γH2tan2 (45°-φ/2) B (式-4)

被动土压力Ep=1/2γH2tan2 (45°+φ/2) A (式-5)

式中:γ—土壤重力密度, 取1800kg/m3;

H—土体高度, 亦即支墩高, m;

φ—土壤内摩擦角, 取30°;

B—支墩正面宽度, m;

A—支墩侧面宽度, m。

一般讲, 固定支墩由于管道通联, 抗倾覆问题不大, 此处略。

工程实例: (1) 工程概况:我公司2011年新敷设的南环路供热直埋管道最大一处固定支墩承受管道推力为Hx=200t, 地基承载力[f]=100kpa, 用C20混凝土, HPB235钢筋, 摩擦角φ=30度。试设计此混凝土固定支架。

(2) 支墩设计:固定支架采用立方形混凝土墩, 支墩沿管道方向长度A, 厚度B, 高度H。

首先设A=4m, B=1m, H=2m, 支架埋深h=1.2m

T=F+KEp=20.68+30.24=51.9t

再设A=5m, B=4m, H=3m, h=1.2m

此时:F=μ (P+2Eɑ) =0.6×[2×5×4×1.2×1.8+5×4×3×2+1.8×32×tan2 (45°-30°/2) ×4]=0.6× (86.4+120+21.6) =136.8t

Ep=1/2γH2tan2 (45°+φ/2) A=1/2×1.8×32×tan2 (45°+30/2) ×5=121.5t

T=F+KEp=136.8+0.7×121.5=221.85t>Hx=200t

故A=5m, B=4m, H=3m, h=1.2m时, 固定支墩安全。

(3) 支墩施工图:

根据设计结果, 本固定支墩设计结果如下图:

随着供热直埋管道的发展, 从由补偿供热直埋到无补偿供热直埋, 因无补偿供热直埋中管道推力较大, 所以要抵抗较大的推动力。固定支墩在工程中起着非常大的作用, 因此我们要做好固定支墩的设计和计算工作, 现给出的计算方法, 在本人的实际工作中的得到验证, 希望在今后的工作中得到完善。

直埋供热管道设计 篇2

摘要：对直埋高温蒸汽管道做了简要介绍，并结合实际工程总结了固定支架、补偿器、疏水装置和排潮管等管道附件的设计要点。

关键词：直埋蒸汽管道;固定支架;补偿器;排潮管;疏水点

1“钢套钢”蒸汽管道简介

“钢套钢”蒸汽管道就是在内部的工作钢管外再加一个钢套管。工作钢管主要用来输送高温高压蒸汽;外部钢套管既是工作钢管的保护管，也是保温管的保护管，更重要的还是整个蒸汽管道伸、缩固定的主要受力件。内、外管之间是保温材料和空气层。

“钢套钢“直埋式预制蒸汽管道一般适用于输送温度在150～300℃之间，压力小于1.6MPa的蒸汽。该产品在国外实施的比较早，例如德国在1979年就开始使用【1】。在我国兴起于20世纪90年代。

该产品在技术上解决了埋地管道在防水、防腐、热桥、疏水等方面关键性问题，使蒸汽管道全线处于全密封状态下运行，经过工程实践证明是安全、可靠。并且具有节约占地面积、减少管网占用地下空间位置的特点。

2工程应用概况

前年中原某钢厂蒸汽管网工程中，采用了直埋“钢套钢”预制蒸汽管道形式。其接市政蒸汽管道的主干线管径为273×7/660×6.4，两个支管分别为219×6/580×5.6和108×4/325×4.8，，分别供冬季采暖和食堂做饭使用。除过河采用架空外，其他均采用“钢套钢”直埋敷设。本项目凝结水不再回收。

蒸汽管道设计供汽参数为：P=1.1MPa，t=260℃，工程管道总长为350m。

该钢厂“钢套钢”蒸汽管网运行两年来，未发生任何问题，运行正常。

3管道附件设计要点

“钢套钢”蒸汽管道附件的设计质量非常重要，它直接影响到蒸汽管道的施工，因此，关键关节必须严格按照规范和规程进行计算和设计。

3.1补偿器的选择

一般在直埋蒸汽管道中，采用波纹管补偿器，但选用时应注意以下两点。

①补偿量不应大于200mm。②要求波纹管补偿器生产厂家根据蒸汽参数进行应力计算，确定波高、波数、波板的层数及波纹管的材料。

目前，波纹管补偿器多采用1Cr18Ni9Ti不锈钢材料制成。在运行中受拉应力、压应力及各种内应力联合作用下，如果管道内、外部环境中有氯、硫离子，极易受到穿晶应力腐蚀破坏，温度越高，氯、硫离子浓度越大，这种腐蚀破坏速度越快。故补偿器的`材质应选用抗氯离子腐蚀材料SUS316L不锈钢【2】。

在沿海地区、防腐条件恶劣环境下，也可考虑选择用直埋式套筒补偿器，因为它耐腐蚀、抗汽水冲击的能力强，价格相对较低，寿命长。目前，国内已经开发出很成熟的直埋式套筒补偿器，具有不需设置检查井、易安装、占地面积小、无泄漏、补偿量大等特点，弥补了传统套筒补偿器的自身不足，显示出明显的优势。

另外波纹管补偿器最好在固定支架左右对称设置，以平衡固定支架受力，同时便于设置疏放水装置。

3.2固定支架的设计

对固定支架的推力计算，除应考虑固定支架两侧管道补偿器的弹性反力、内压不平衡力及管道与滑动层的摩擦力外，对钢外套的复合保温管还应计算钢外套对固定支架的推力，如按外表面温度最高50℃计算，当工作钢管直径为DN250时，外保护套的直径为DN650时，采用钢外套管的固定支架推力在运行初期可达15000N左右。虽然，采用在钢外套管上设补偿器可减少对固定支架的推力，但由于外套管补偿器的防腐问题目前没有十分可靠的解决办法，从而不能保证管网的寿命。为解决上述问题，对固定支架的设计可采用相对固定的概念。

所谓相对固定，即是内工作钢管固定在外套管上，外套管对于工作钢管视为固定参照物，其内固定带的固定强度结构只计算内钢管的推力Fn即可。对外钢管来说Fn为它的内平衡力，复合保温管的整体稳定性由土壤作用在外套管上的被动土压力来平衡。这样，既解决了因地形复杂无法做固定支架的难题，又缩短了施工周期。

3.3疏水点的设计

由于蒸汽管网运行负荷不稳定，甚至经常有间隙运行工况，在这一段时间内管道内会有凝结水，如不及时排出就会发生水击，严重时会对管网造成破坏。因此，合理设置疏水点是管系安全运行的保障。在疏水点的设计上应注意以下几点：

①尽量沿管网气流方向并根据管系的路由高程将管系做成有坡度设计，即顺流疏水。②如遇到地下障碍多时，管道敷设呈起伏状时，采用多低点疏水。当逆汽流方向疏水时，应加大管道的坡度。③疏水点的形式由于管系运行时存在反复的热膨胀和收缩，会对疏水管根部焊口产生剪应力，产生疲劳，容易破坏。为避免这种情况发生，疏水点应尽量设在固定墩附近，或疏水点与固定墩作为一体。

3.4三通、阀门、大小头设计

三通、阀门、大小头等管件在整个管系中是应力集中点，在工程设计中应通过分析管子的应力分布状况，尽量把这些管件布置在轴向、径向位移量相对较小的地方，即应靠近固定支架。

在选择阀门时，要考虑阀门承受内压及轴向力的能力，不选择铸铁阀门。总之，在管道附件设计中，固定墩采用内固定支架替代外固定支墩，既减少了由于外固定支墩需要做庞大的混凝土工作量问题，又很好解决了外固定支墩的防腐问题。疏水点、三通、阀门、大小头、排潮管等管道附件都应尽量靠近固定墩。

3.5排潮管的设计

排潮管是直埋蒸汽管道不可缺少的重要组成部分，因为保温管在工厂生产、运输及安装过程中不可避免地含有或者会吸收一些潮气甚至少量水分，若不及时排除出去，开启暖线时很容易发生爆管事故。排潮管在每段封闭的管段之间宜设一至二个，排潮管不但有排潮的功能，还可以通过观察其排出的汽量来确定管段的渗泄情况。排潮管应引到地面上，行人车辆不易碰到的地方。排潮管管口要向下弯，以免雨雪由排潮管口进入管道保温层。

4结语

高温直埋蒸汽管道工程是相关多专业的一项系统工程，但高温直埋蒸汽管网中管件的选择与设计至关重要，更是工程成败的关键。高温直埋蒸汽管道的补偿器、固定支架、疏水点、排潮管等管件应有设计院统一设计，然后由专业生产厂家预制，既保证质量、又简化施工。高温直埋蒸汽管道敷设技术虽然在我国推行10多年，积累了一定得经验，但还有诸多问题尚未解决，需要深入研究和实践。

参考文献：

[1]动力管道设计手册.动力管道设计手册[M].北京:机械工业出版社,.

直埋供热管道设计 篇3

随着城市集中供热规模的不断扩大, 供热直埋管道管径已发展到DN1 400。然而现行《城镇直埋供热管道工程设计技术规程》限定在DN500及其以下[1]。为使相关技术人员增加对大口径直埋管道相关技术的认识, 提高设计水平、增加大口径供热直埋管道工程设计的安全性和可靠性, 节约工程投资[2,3]。文中介绍了大口径、高温、高压供热直埋管道应力分析和应力计算方法及管道失效方式, 为供热直埋供热管道的设计、施工和管理提供了依据。

1 直埋供热管道的应力分析

1.1 应力计算

EN 13941中在进行单长摩擦力计算时, 考虑管道自重引起的管道与土壤之间的摩擦力, 其计算如下[3]:

其中, F为轴线方向每1 m管道的摩擦力, N/m;μ为外管壳与土壤的摩擦系数;ρ为土壤密度, 一般砂土取1 800 kg/m3;g为重力加速度, m/s2;h为管顶覆土深度, m;Dw为预制保温管外壳的外径, m;G为每1 m预制保温管的满水重量, N/m。

直埋保温管钢管管径为1 000, 预制保温管外壳直径1 155 mm, 管顶平均埋深1.2 m, 最小摩擦系数0.2。最小单位长度摩擦力为25 487 N/m。

1.2 应力校核

由于直埋管道的一次加二次应力的当量应力最大值是出现在锚固段管道, 应力验算主要对象是锚固段, 因此该段内管道的参数应满足下列公式[2,3]:

则认为管道的参数的选取是合适的。

其中, γ为钢材的泊松系数, 取0.3;t2为管道工作循环最低温度 (半年运行取10℃, 全年运行取30℃) ;t1为管道工作循环最高温度, 130℃;E为钢材的弹性模量, 取19.6×104MPa;α为线性膨胀系数, 取11.74×10-6m/ (m·℃) ;σt为管道内压引起的环向应力, MPa。

其中, Pd为管道计算压力, MPa;Di为钢管内径, m;δ为钢管公称壁厚, m。

2 直埋供热管道的失效方法

2.1 管道竖向稳定性验算

直埋直管段上的垂直荷载应符合下列表达式:

其中, Q为作用在单位长度管道上的垂直分布荷载, N/m;γs为安全系数, 取1.1;Np·max为管道的最大轴向力, N;fo为初始挠度, m。

初始挠度应按式 (4) 计算:

当fo<0.01 m时, fo取0.01 m。

垂直荷载应按式 (5) 计算:

其中, GW为每米长度管道上方的土层重量, N/m;G为包括介质在内保温管单位长度自重, N/m;SF为每米长管道上方土体的剪切力, N/m;K0为土壤静压力系数;φ为土壤的内摩擦角, (°) , 砂子取30°。

埋地管道中介质温度升高时, 管道中产生轴向压力。存在轴向压力的管道有向轴向法线方向凸出使管道弯曲的倾向。由于管道周围土壤在径向和轴向对管道有约束, 正常状态下埋地管道在地下保持稳定。当周围土壤的约束力较小或因周围开挖而减小, 受压管道会在横向约束最弱的区域丧失稳定。管道在轴向朝失稳区域推进, 并在水平方向或垂直方向推开土壤形成弯曲的凸出管段。竖向失稳可能由于设计考虑不周引起, 水平失稳多为埋地供热管道投产后由于其他管线施工引起。

2.2 局部稳定性

原规程适用管径较小, 常用管道规格的截面刚度较大, 局部屈曲的危险较小, 所以原规程未要求对截面刚度和局部稳定性进行验算。本次针对大管径管道专门进行了研究, 用国内已实际运行多年的管道工程与欧洲供热管道标准对比, 如按欧洲供热管道标准计算, 大管径管道壁厚要比实际工程使用的壁厚大很多。

欧洲规范EN 13941对于直埋管道径厚比的规定式。我国JB4732-1995钢制压力容器—分析设计标准提出的临界屈曲应力计算公式为:

其中前两个公式经过实验对比, 计算值偏于保守。对于几个公式的运算结果比较, JB 4732-1995计算的径厚比较前两个公式的计算结果要保守, 但是EN 13941更保守, 计算的管壁厚度太大。所以本规程规定采用JB 4732-1995的公式作为临界屈曲应力计算公式。

公式计算壁厚没有考虑环境和焊工技术的影响。长距离管道焊接环境复杂, 比钢制压力容器要恶劣;管道焊口边缘晶体结构发生变化, 许用应力会因焊工技术而下降, 幅度在10%~25%。

2.3 径向稳定性

管道应按下列公式进行径向稳定性验算:

其中, ΔX为钢管径向最大变形量, m;W为管顶单位面积上总垂直荷载, k Pa;r为工作管平均半径, m。

理论研究表明, 直埋敷设的柔性管道能够利用其周围土壤的承载能力, 当管道椭圆变形达到钢管外直径的20%时, 才发生整体结构破坏。但试验证明, 椭圆变形达到钢管外直径的5%时, 管壁便开始出现屈服。GB 50253-2003输油管道工程设计规范, GB50251-200输气管道工程设计规范都规定管道的椭圆变形量应小于钢管外径的3%, 椭圆变形量采用依阿华公式计算。

3 结语

大口径、高温、高压供热直埋管道的应力计算及管道失效方式已经与小口径管道有很大区别, 大口径管道本身重力对摩擦力的影响已经不能忽略, 随着径厚比的增加管件的疲劳失效、管道的椭圆化和局部失稳的可能性增大。在管道设计中要选择合适的直埋敷设方式, 在经济合理的基础上, 把管道的危险性降到最低。

摘要：结合国内外新研究成果, 介绍了大口径、高温、高压直埋供热管道的应力分析和应力计算方法, 并探讨了直埋供热管道的失效方式, 以提高大口径直埋供热管道设计水平, 确保管道工程的安全性和可靠性。

关键词：供热管道,直埋管道,应力计算,管道失效

参考文献

[1]CJJ-T81-98, 城镇直埋供热管道工程技术规程[S].

[2]王飞, 张建伟.直埋供热管道工程设计[M].北京:中国建筑工业出版社, 2007:92-97

[3]EN 13941∶2009, Design and installation of preinsulated bonded pipe systems for district heating[S].

浅谈城镇直埋供热管道的设计施工 篇4

关键词：直埋供热管道,设计,施工

1 直埋管道管材的选择

根据输送介质的技术要求, 供热钢管可分别采用有缝钢管、无缝钢管、双面埋弧螺旋焊接钢管。直埋的热力管道内压一般都很低, 由内压引起的应力不足允许值的50%。发生直接爆破破坏的可能性非常小, 破坏的最大可能是由温度应力引起的塑性疲劳破坏。因此, 在选择管材时, 应主要从抗疲劳性能来考虑。这就要求选择塑性比较好、易焊接的材质, 一般10#、20#钢较为适宜。轴向温度应力与管壁横截面积的大小无关, 增加壁厚并不能降低管壁内的轴向应力。相反, 它可能增加对固定墩的推力和过渡段的热伸长量。因此, 管壁应尽可能选择较合适的规格厚度。

2 直埋管道的布置

直埋供热管道的布置应符合国家现行标准《城市热力网设计规范》的有关规定。管道布置的合理与否直接影响到管道的敷设方式。热力网的布置应在城市建设规划的指导下, 考虑热负荷的分布, 热源的位置, 与各种地上、地下管线及构筑物、园林绿地的关系等因素, 经技术经济比较来确定。

3 直埋管道的敷设

直埋供热管道的敷设方式按照长直管段是否允许出现无补偿管段可分为两大类:有补偿敷设和无补偿敷设。有补偿敷设可用于各种供热系统, 而无补偿敷设是有必要条件的, 即使采用预热安装也是如此。在直埋管道敷设时需注意的要点:管道尽可利用转角自然补偿。从干管直接引出分支管时, 在分支管上应设固定墩或轴向补偿器或弯管补偿器。三通、弯头等应力比较集中的部位, 应进行验算, 验算不通过时可采取设固定墩或补偿器等保护措施。当需要减少管道轴向力时, 可采取设置补偿器或对管道进行预处理等措施。当地基软硬不一致时, 应对地基做过渡处理。埋地固定墩处应采取可靠的防腐措施, 钢管、钢架不应该裸露。轴向补偿器和管道轴线应一致, 距补偿器12m范围内管段不应有变坡和转角。

4 直埋管道的作用及应力特点

直埋供热管道的安全性取决于管道中的应力大小, 而应力的大小又取决于作用于管道的荷载, 在直埋供热管道中, 荷载包括主动荷载和被动荷载。不同类型的荷载, 使管道产生不同性质的应力, 进一步可能导致不同方式的破坏。温度和压力是热力管道上最主要的两种作用荷载。对于直埋管道, 还有轴向位移产生的土壤轴向摩擦力和侧向位移产生的土壤侧向压缩反力。另外, 在管道局部结构不连续处会产生应力集中, 对应的应力称为峰值应力。峰值应力不会引起显著的变形。但循环变化的峰值应力, 也会造成钢管内部结构的损伤, 导致管道疲劳破坏。管道在弯头、三通处产生的应力属于峰值应力。由于土壤的均匀支撑, 管道的自重没有产生自重弯曲应力, 故一般忽略不计。但是对于热网中常用的管道, 其公称壁厚要远远大于该压力所需的设计壁厚, 内压产生的实际应力也就远远小于管材的屈服应力。相反, 由于管道中热胀变形不能完全释放, 使管道产生了较大的轴向压力和压应力, 其中轴向压应力可能与屈服应力处于同一数量级上。因此, 在直埋敷设热力管道中, 内压的影响较小, 管道产生爆裂的可能性很小, 而温度的影响则较大, 因此, 直埋供热管道能否安全运行的至关重要的因素是热应力的大小。

5 防止直埋管道破坏的方法

5.1 防止循环塑性破坏

管道温度在管道工作循环最高温度与最低温度问变化时, 所产生的应力变化是循环塑性破坏的起因。无论是锚固状态的管道, 还是滑动状态的管道, 应力变化都与安装温度无关, 故预应力安装不解决冷安装的循环塑性破坏的问题。当锚固状态的直管段满足不产生循环塑性破坏的安定性条件时, 锚固状态的管道允许存在, 该直管段可以采用无补偿安装方式, 当然包括了无补偿冷安装方式。否则, 应在该直管段设置补偿装置, 并通过调整补偿装置间距, 控制管段上的应力变化, 使之不产生循环塑性破坏, 这时, 该直管段就变成有补偿安装方式。

5.2 防止疲劳破坏

疲劳破坏是指管道的局部地方由于应力集中引起的局部循环塑性变形导致的局部破坏。直埋供热管道的弯头、折角、变径及三通等管件处都会产生应力集中。在温度和压力变化过程中, 应力集中引起的峰值应力, 将在很小的局部范围内产生循环塑性变形, 导致了疲劳破坏。疲劳破坏也与应力变化有关, 峰值应力的变化范围越大, 疲劳破坏所经历的时间越短, 表现为局部开裂、漏水等。防止疲劳破坏主要是采用固定墩加固和补偿器补偿的方式解决。

5.3 防止失稳破坏

在进行直埋供热管道设计时, 除考虑循环塑性破坏外, 还要考虑稳定性问题。管道温度从安装温度升高到管道工作循环最高温度时, 所产生的升温轴向压力是整体失稳破坏的起因。在冷安装条件下, 锚固的直管段满足稳定性条件时, 该直管段可采用无补偿冷安装方式。一般地讲, 供水温度不高于130℃、管径不大于DN500的热网, 采用无补偿冷安装方式都能保证不出现循环塑性破坏;当埋深在1米以下时, 还能保证不出现整体失稳。由于一般的热网都可满足上述条件, 故从直管段强度的角度, 采用无补偿冷安装方式是没有问题的。但是, 从保护三通、弯头、折角、大小头和阀门等薄弱部件以及减小固定墩推力的角度, 有时在局部管段还要采用设置补偿装置的有补偿安装方式。至于预应力安装方式, 由于只能解决稳定性的问题, 而通过增加覆土深度或设置补偿装置解决稳定性问题, 通常会更经济一些。

6 直埋供热管道的施工安装

直埋管道中的应力是热胀变形不能完全释放而产生的。因此, 通过选择不同的安装方式, 可以改变热胀变形的大小和变形的释放程度, 进而改变管道的应力水平。热胀变形的大小与零应力状态对应的温度有关, 零应力状态温度的提高, 可降低热胀变形的大小。根据此温度是否等于安装时的环境温度, 管道可分为两种。冷安装:零应力状态对应的温度等于安装时的环境温度。预应力安装:零应力状态对应的温度等于预热温度。根据热胀变形能否释放, 管道又可分为两种。无补偿安装:两固定墩之间或远离补偿装置而处于锚固状态的管道 (锚固段) , 其热胀变形不能被补偿装置所吸收。有补偿安装:补偿装置附近处于滑动状态的管道 (滑动段) , 其热胀变形能被补偿装置所吸收。

总之, 城镇供热管道采用预制保温管直埋敷设, 具有显著的社会效益、经济效益、节能效益。对供热管网直埋敷设设计与施工的研究, 是供热管网能够安全的运行, 增加使用寿命, 降低供热成本, 提高经济效益的理论支持, 更是城镇集中供热管网直埋敷设得以广泛使用和推广的有力保证。

参考文献

[1]王飞, 张建伟.直埋供热管道工程设计[M].中国建筑工业出版社.2006.

直埋供热管道设计 篇5

1最小覆土深度验算

竖向稳定性验算。直埋供热管道温度升高时, 由于土压力作用使得管道的热膨胀受到周围土壤摩擦力作用, 整体热伸长受阻, 管道轴向产生压应力。存在轴向压力的管道, 有向轴向法线方向凸出使管道弯曲的倾向。管道在轴向朝失稳区域推进, 并在水平或垂直方向推开土壤形成弯曲的凸出管段, 称为竖向失稳。为此, 设计时设定最小的管顶覆土深度, 用来提供必须的垂直荷载来抵消垂直向上的反力。

对于覆土层较浅、地下水位较高及供热管道上方开沟的情况, 应进行竖向稳定性验算, 对于长直管段, 均匀分布的单位管长的垂直荷载Q (回填土和管道自重) , 应满足下列条件, 以防垂直失稳:

式中Q—作用在单位长度管道上的垂直分布荷载, N/m;

γs—安全系数, 取1.1;

Np.max—管道的最大轴向力, N;

E—钢材的弹性模量, MPa;

Ip—直管横截面的惯性矩, m4。

垂直荷载Q可按下式计算, 如图1所示。

K0=1- sinφ

式中Q—作用在单位长度管道上的垂直分布荷载, N/m;

Gw—单位长度管道上方的土层重量, N/m;

G—包括介质在内保温管单位长度自重, N/m;

Sf—单位长度管道上方土体的剪切, N/m;

H—管道中心线覆土深度, m;

Dc—外护管管径, m;

ρ—土壤密度, kg/m3, 可取1800kg/m3;

g—重力加速度, m/s2;

K0—土壤静压力系数;

φ—回填土内摩擦角, 砂土可取30°。

2 最大覆土深度验算

管道外表面温度验算:

已知直埋管道工作钢管规格为 φ1020×13, 外护PE管规格为 φ1155×14, 保温层采用聚氨酯硬质泡沫, 供水温度130℃。则供水管外表面温度计算如下:

其中ti—保温层外表面温度, ℃;

ts—计算供水温度, 130℃;

qs—供水管单位长度热损失, W/m;

Rt—保温材料热阻, (mK) /W。

计算不同埋深下的供水管道各参数如表1。

其中λg—土壤导热系数, 1.4W/ (m K) ;

λ1—聚氨酯硬质泡沫导热系数, 0.0326W/ (m K) ;,

λ2—PE管导热系数, 0.43W/ (m K) ;

t0—管道中心线的自然地温, 10℃;

t1—保温层外表面温度, ℃;

t2—外护管表面温度, ℃。

根据计算结果可知, 在同样的参数条件下, 随着管道覆土深度的增加, 外护管表面温度t2逐渐增大, 在覆土深度1.9m以上时, 外表面温度已经超过规范允许的50℃, 该规格的保温管已经不能满足保温要求, 需要增加保温厚度。

3结论

通过以上验算可知, 城市热力管网设计过程中, 如果管道覆土深度过浅, 会影响管道的竖向稳定性, 造成管道局部凸出, 甚至供出地面;如果管道覆土深度过深, 则会导致管道外护管表面温度升高, 甚至超过规范允许温度, 为了使外表面不超温, 需要相应增加管道保温层厚度, 增加了工程材料的费用。另外, 管道覆土深度过深, 导致沟槽挖方量增加, 增加了施工难度和工程造价, 也带来了一定的安全隐患。因此, 合理设计管道的埋深是设计人员不可忽视的, 重要的一步。

摘要：通过对供热管道设计覆土深度的分析, 对直埋管道所需最小埋深的原因进行了分析;并以具体管道计算为例, 分析直埋管道埋深增加对管道的影响。从而为工程设计人员在设计工作中合理布置管道埋深提供了理论依据。

关键词：覆土深度,稳定性,外表面温,热阻

参考文献

[1]直埋供热管道工程设计 (第二版) .

[2]城镇供热直埋热水管道技术规程.CJJ/T81-2013.

直埋供热管道的预热方式 篇6

关键词：直埋供热管道,水预热,风预热,电预热

近几年,随着集中供热工程的快速发展,城镇直埋供热管道的敷设逐步被推广,为降低施工难度、加快施工进度、降低工程造价,进一步降低管道的应力幅度,提高管道在运行中的安全性和可靠性,预热方式在直埋供热管道敷设中得到了很好的推广和应用,下面对直埋供热管道的几种预热方式做简单介绍。

1 直埋供热管道预热方式

1.1 水预热方式

预热方法:利用管道中循环的热水将保温管道加热到预热温度。

优点:当有方便并且可以利用的热源时,采用水预热比较经济。

缺点:当没有方便并且可以利用的热水为预热管道提供热源时,且在市区道路敷设不允许敞沟,必须具备加热锅炉等加热设备对预热管道提供热水热源,预热费用相对高。

采用水预热方式,管道中需设置分段阀门和一次性补偿器,而且在管道预热之前,预热管道必须焊接完毕形成连续的回路;预热结束后,大量的预热用水需要排放,在工程中找到合适的排放场地也有一定困难;由于管道中用水作为加热介质,预热温度比较均匀,但由于管道在预热过程中必须注满水,所以管道重量很大,管道与土壤之间的摩擦力较大,因此,预热伸长量不容易实现,达到预热温度后,一般预热伸长量达不到理论计算值,仍需逐步提高预热温度,使伸长量达到理论计算值,预热时间较长。

预热步骤为:1)按照制定的预热方案,将预热热源与所预热管道相连接,并布置测温点。2)条件具备后,向管道充水,开启热源处的循环泵保持全线管道温度均衡。3)在管段上每个一次性补偿器上设置基准点和表尺,并标定理论计算热伸长值。4)热源缓慢升温,升温速度控制在不大于4 ℃/h,在升温过程中,做好温度和伸长量的记录,升温至预热温度时,根据各基准点热伸长量的情况确定是否继续升温,伸长量达到计算值后进行焊接,根据测绘记录绘制温升与热伸长量的变化曲线。5)补偿器焊口除进行外观检查外,还要做100%探伤,并做好记录。6)根据预热管道的情况,进行下一段管段的预热工作。

1.2 风预热方式

预热方法:利用管道中的风将保温管道加热到预热温度。

风预热方式以风为介质,由于预热介质轻,减少了热量传递过程,降低了换热损失,克服了预热时间长的缺陷,也节约了水资源。但热风在管道回路中流动时存在热损失,通常情况下,管道起始端和末端的预热温差在20 ℃左右,影响管道热伸长的均匀性。

预热前要注意以下几点:1)预热管段必须焊接完毕,形成完整回路,以便气流顺利通过。2)管道安装时,严格控制管道安装高程,确保预热段管线坡度变化平稳,减少应力集中点。3)管道上的三通、弯头、阀门等附件均安装完毕,且预热管道水压试验合格。4)对管道增加吹扫次数,尽可能将预热管段水压试验积水泄净,缩短预热时间。5)采用大风量小温差,控制送风壁温,减少温差应力。

1.3 电预热方式

采用电预热方式,将钢管作为电阻,利用电能对钢管进行加热,钢管中没有介质,因此,管道沿长度方向预热均匀,预热时间短,而且敞沟预热过程管道中不存在锚固段,能够达到理想的管道预热效果。电预热技术的基本原理:管道电预热是通过预热设备提供一个低电压、高电流的电能,将供回水管道作为电阻通过电缆连接起来,与预热设备形成回路,将钢管温度加热到设计预热温度。

电预热的技术优势与其他预热方式相比较,电预热技术具有明显的技术优势:1)施工条件要求简单,时间短,可以敞沟预热;2)热消耗量小,预热均匀,预热时间短;3)电预热设备体积小、重量轻、易操作、无震动、无噪声,自动监控;4)适用范围广,只要钢管为介质输送管,都可以实现;5)低电压可以保证施工安全。

电预热设备的特点:1)大功率小体积,安装方便,操作简单。2)单台设备即可对较大口径的管材进行预热。3)可多台设备同时使用,进一步缩短预热时间。4)设备投入运行后,自动监控,无异常不需人工干扰。5)多重保护功能,可自动切断电源,保证施工人员及设备的安全。6)可动态显示管线温度变化曲线,同时具有打印功能,为监控施工质量提供依据。7)保温阶段设备自动动态控制,以保证整个回填土阶段管线伸长量的稳定,确保工程质量。

采用电预热方式要注意以下几点:

1)预热管段内不能有变径或不同材质的保温管。2)在预热过程中,不允许供、回水管道之间存在任何短接,否则将发生短路或局部发热。3)将管道两端管口用塑料端帽封好,以防止管内的热气散失而延长预热时间。4)管道水压试验后,要确保将管道中水排净。5)做好预热设备与电缆的正确连接。

以上各预热方式,预热时要严格按操作执行,各预热设备、风机、用电设备各环节要有专人操作、保养;对各用电设备做好进行可靠的接地或接零,不得混接;施工现场临电设施,要执行一机一闸一保护;夜间测试点处要有足够的照明设施;备用柴油要放置在干燥安全处,并放置防火设施;做好各方面的安全、环保措施。

2结语

本文对直埋供热管道的几种预热方式进行了简单的介绍,采用以水、风为介质的预热方式,预热管段必须焊接完毕,形成完整回路,以便水流、气流顺利通过,而且存在热损失,风预热的热损耗最大,水预热的热损耗相对较小,但水预热由于管道的摩擦力大,因此达到理论伸长量的时间要长。而采用电预热方式,管道可以不形成封闭的回路,对预热管道要求相对较低,热损失最小,因此将管道加热到预热温度的时间最短。直埋管道敷设采用预热方式,可以降低施工难度、加快施工进度、降低工程造价,且降低了管道的应力幅度,提高了管道在运行中的安全性和可靠性,大大推动了直埋管道安装技术的发展。

参考文献

[1]贺平,孙刚.供热工程[M].北京:中国建筑工业出版社,1993.

[2]王飞,张建伟.直埋供热管道工程设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

小议供热管道直埋敷设现状 篇7

近几年来, 随着国内供热管网规模的扩大, 原有的直埋敷设管道的设计和施工方法已经不能满足要求。一些权威的设计院采用在原有设计方法的基础上引用国外的新技术或者重新考虑安全系数等方法来进行直埋敷设管道的受力设计, 并在工程实际中不断的积累经验、探索和提出新的受力计算方法。本文对国内外直埋敷设发展现状进行浅析。通过对相关文献的研究和对国内的直埋敷设情况进行调研, 提出供热直埋敷设管道受力设计计算中存在的一些亟待解决的问题, 并分析其解决方法和思路。

1 直埋敷设中存在的问题及解决设想

近几年的直埋敷设热水管道很多都需要使用大直径、高压力的管道, 原来的适用于小直径管道的设计方法和公式亟待改进。同时, 直埋技术不断发展, 大直径管道的无补偿安装、薄弱部件加强等技术也越来越广泛的应用于实际工程中。经过理论研究和实际调研, 本文提出以下几点直埋敷设管道受力设计中存在的问题以及解决相应问题的方法和思路。

1.1 直埋管道受力设计方法适用范围有待扩展

《规程》中给出的直埋管道受力设计方法适用于供热介质温度不大于150℃, 公称直径不大于DN500mm的一体型预制保温管。而对于现在的供热管道规格已经达到公称直径DN1000mm;管道的工作压力也很高, 一些工程已经使用了工作压力2.5MPa的管道的无补偿冷安装直埋敷设。

1.2 直埋敷设安装方式适用条件的分析

直埋敷设安装方式按照管段是否有补偿可以分为:无补偿安装和有补偿安装;按照是否进行预应力可以分为:冷安装和预应力安装。虽然许多文献中都对直埋敷设的安装方式进行了较为详尽的分析, 但是在实际的工程中对于直埋敷设安装方式的选择还是有些混乱。安装方式使用的不合理容易引起能源、管材的浪费或者管路系统潜在的不安全等。

首先应该明确:不同的安装方式对应着其所能解决的不同的管道失效方式, 不同的失效方式所关注的管道的特征参数不同。换句话说, 为了解决一定的管道失效方式, 就应该对引起该失效方式的管道的特征参数进行控制与调整, 而管道的特征参数的取值不同, 就形成了不同的直埋敷设的安装方式。这也是划分不同的直埋敷设安装方式的原则。

2 结论与展望

供热管道直埋敷设方式探讨 篇8

和采取区域性锅炉供热的方式相比而言,采取集中供热采暖的方式更加的环保和节能,同时又具有较高的安全性能,能有效地节约用地面积,减少成本的投入。现阶段,集中供热采暖发展成了我国城镇非常重要的基础设施,同时也是我国城镇公共事业中非常关键的构成部分。在我国城市化进程逐步加快的同时,城市集中供热采暖也逐步地发展,其涉及的范围持续增加。同时,在集中供热采暖建设过程中,也需要更加先进的直埋敷设工艺。怎样显著地降低供热系统的成本,并保障系统在运行时具有较高的可靠性,是目前供热行业所面临的重要问题。在供热系统的建设过程中,管道的直埋敷设尤为重要,其是把事先预制完成的、具有保温性能的供热管道直接埋到地下,通过供热管道所具有的强度和相应的配套装置一起承担系统运行中所形成的热应力。在长期的实践过程中,逐步形成了多种用于供热管道直埋敷设的技术与工艺,其目的是为了保障系统在运行过程中具有一定的安全性,并最大限度地降低资金的投入,同时尽量使系统在维护中更为便捷。因此,有必要对不同的供热管道直埋敷设方式进行分析与比对,以掌握不同工艺的特性,便于更好地为供热系统的建设、运行服务。

1 供热管道的损坏形式

通常供热管道所承受的应力值在0.6 MPa~2.5 MPa之间。而在对供热管道的应力分析后发现,管道的内部应力要较其自身的屈服力小很多。但是,在供热管道的使用过程中,会出现较大的温度变化,从而导致管道形成相对大的轴向应力以及压应力。因此,对于供热管道种类的选用要尤为重视。

1)循环塑性变形。供热管道发生循环塑性变形最根本的原因是由于管道所处环境的温度波动。如果产生相对大的温度波动,并且所形成的热形变无法彻底的被释放。那么,当管道所处的环境温度升高时,供热管道的管壁就会由于受到轴向的压力而形成一定的压缩变形。当管道所处的环境温度降低时,供热管道的管壁就会由于受到轴向的压力而形成一定的拉伸变形。如果所处的环境温度变化超出特定温度值时,就会导致供热管道被破坏。

2)低循环疲劳损坏。在供热管道中,位于管道线路中的接头位置、三通位置或者弯折位置会出现应力集中的现象,而如果管道所处环境发生一定的温度波动,那么管道线路中不连续位置将出现峰值应力,从而导致该处的管道遭受疲劳损坏。

3)高循环疲劳损坏。当供热管道上方有车辆通过时,其重量形成的应力作用将被传递至地下直埋敷设的管道之上,从而导致供热管道局部位置形成椭圆状形变,进而出现应力集中问题。在长期循环应力作用下,最终产生疲劳损坏。

4)整体失稳。管道使用过程中,其轴向应力值是最大的,而且受到压杆效应的影响,有可能发生管道整体失稳的问题。尤其当供热管道埋设采取无补偿冷敷设工艺时,管道所处环境的温度变化所形成的应力将全部的形成轴向应力,非常容易使得管道发生整体失稳问题。针对这种问题,我国颁布的CJJ T81—2013城镇供热直埋热水管道技术规程里明确规定,管道的敷设必须达到相应的标准,才能确保其不发生整体失稳的问题。

5)局部失稳。管道的局部失稳会受到其轴向应力所产生的形变影响,也就是管道热胀形变程度及形变释放程度的影响。还会受到管道自身结构性能的影响。因为管道是薄壁壳体结构,当其受到一定的轴向应力时,就可能导致管壁出现局部失稳现象。根据局部失稳公式可知,如果供热管壁自身的厚度不断增加,则其发生局部失稳的概率就越小。而当供热管道的半径逐渐增加,其发生局部失稳的概率就越大。所以,在供热管道敷设时,要依据不同的管道壁厚来采用不同的覆土深度。

通过上述的几种损坏情况看,管道使用中的安全性和管道受到的轴向压力存在着非常紧密的关联。管道所受到的轴向应力根本上是由于温度变化所产生的应力,如果供热管道的直径超过DN250时,其遭受局部屈服的概率将大幅提高。而要避免发生局部屈服问题,就应当严格地控制管道所受到的温度应力,并且按照不同的应力管控方案,来选择适宜的管道直埋敷设方式。

2 供热管道直埋敷设方式的分析和选用

2.1 补偿冷安装方式

此种管道直埋敷设方式是最为简便也是成本投入最小的工艺方法。其把供热管道直接敷设,在进行覆土前未预设特定的应力,同时也未安装补偿装置。受到土壤摩擦的影响,供热管道会有锚固段与滑动段之分。如果供热管道位于锚固段,其所受到的热胀应力将整体的转变成温度应力,这样会导致供热管道使用过程中要承担非常大的轴向应力。因此,此段供热管道所受到的最大应力值和最大的温度变化是成正比例关系的。如果管道所受到的热胀应力无法整体的转变为温度应力,而供热管道会由于受热而拉伸。采用此种敷设方法,供热管道所受到的轴向热应力一般会满足管道许用应力值要求。不过,当温度波动稍大,就会超出其局部屈服应力值。因此,当温度波动较大时,无法达到局部屈服的标准要求。所以,此种直埋敷设方式会在很大程度上对温度有所限制,也只能是用在特定的温度环境中才可以使供热管道保持安全可靠的运行。

2.2 敞沟预热安装方式

此种管道直埋敷设方式是对管道完成事先的预热处理,再进行回填作业,并保证管道所预热的温度值达到一定的要求。采用这种直埋敷设方式,管道在使用时如果环境温度和所预热的温度相同时,其所受到的热应力值将变成零。如果管道使用过程中,环境温度值超出预热温度时,此时供热管道会遭受压力作用。而如果管道使用过程中,环境温度低于预热温度时,此时供热管道会遭受拉力作用,这就使管道形成预应力作用。采用此种直埋敷设方法,能够有效的节约管道敷设中的补偿器及固定顿的用量,也会使整个工程的成本投入降低。和冷安装方式对比而言,预热直埋敷设方式管道所能承受的应力大很多,同时也可以有效的降低管壁发生局部屈服的概率。对于一些直径相对大的管道敷设施工非常有利。

2.3 一次性补偿器覆土后预热敷设方式

此种直埋敷设方式是把管道分段进行一次性补偿装置安装。当敷设完成后能立即进行回填土作业。当第一次加热时,如果补偿段处的管道热形变值达到预热温度所发生的自由膨胀形变值时,能够对其焊接。一次性补偿器在经由很多次数的温度波动后,而让其应力得以均匀化,进而实现预应力作用。和冷安装方式对比而言,此种直埋敷设方法同样可以使管道所能承受的应力大很多。所以,也可以有效的降低管壁发生局部屈服的概率。而和敞沟预热直埋敷设方式对比而言,此种方式省去了预热工序,降低了建设时的成本投入及施工难度。

3 结语

在对供热管道遭受应力影响的多种因素分析后,我们了解到了不同直埋敷设方式所具有的特征。如果可以达到冷安装的标准要求,应当尽可能地采取此种安装方式。不过,如果考虑到供热管道使用中的安全可靠性,一些管道直径相对大或者所处环境温度变化较大的供热管道施工中,应尽量采取预热直埋敷设或者有偿直埋敷设的方式完成。

摘要：从循环塑性变形、循环疲劳损坏、失稳等方面,介绍了供热管道遭受损坏的方式与作用机理,对比分析了补偿冷安装、敞沟预热安装以及一次性补偿器覆土后预热敷设三种供热管道直埋敷设方式的优缺点,以供参考。

关键词：供热管道,直埋敷设方式,塑性变形,疲劳损坏

参考文献

[1]柴海婧.大管径热力管道直埋敷设设计探讨[J].建筑知识,2016(2):32-33.

[2]张朝伟.直埋供热管道敷设方式节能性分析[J].资源节约与环保,2015(3):46-47.