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高溫熱水管道直埋敷設技術及無補償設計優缺點

放大字體  縮小字體 發布日期:2012-12-14  瀏覽次數:862
  本文簡要介紹了高溫熱水管道直埋敷設技術在我國的發展過程及常態無補償直埋的含義,通過實例簡介常態無補償直埋敷設的經驗及教訓。闡述了設計的理論依據,同時總結了該設計方式的優缺點。
  一、熱力管道直埋技術的發展              
  熱水管道直埋技術是上個世紀八十年代初期從北歐引進我國的,如興城集中供熱工程從丹麥引進(我院設計),同一時期牡丹江集中供熱工程從芬蘭引進(華北市政設計院設計)。自從復合保溫管引進我國以后,我國的熱力管道直埋敷設技術才開始步入正軌研究。從廣義上講,2005年以前,工程上常用的直埋技術大致分三種情況。第一種,有補償直埋敷設;第二種,低溫熱水管道利用管道自然補償實現無補償器直埋敷設;第三種,利用預熱施工或設一次性補償器來實現高溫水管道“無補償”直埋敷設。
  上個世紀八十年代初,我國引進聚氨酯復合保溫管技術,從此以后我國的熱水管道直埋敷設技術研究才開始步入正軌,并始終在不斷地從消化吸收外來技術的同時,實踐創新并發展我國自主的直埋敷設技術。據我們掌握的信息,在上世紀八十年代中期,就開始有赤峰市一期集中供熱工程、開原市集中供熱工程、天津市早期城市集中供熱工程過河段,都在不同程度上采用了局部無補償直埋設計(無預熱),管段長度在100m~400m之間,介質溫度也在110℃以下。到上世紀九十年代初期,盤錦熱電廠集中供熱工程及本溪集中供熱工程,都采用了局部管段120℃高溫水的無補償直埋敷設設計。其中尤其值得一提的是,在1993年本溪集中供熱工程中,管道穿越太子河,河床寬近400m,介質溫度120℃,管徑為DN700,過河段設計采用無補償直埋敷設技術設計,運行至今仍完好無損。2000年本溪市政要敷設的一根排水管與其相交,必需把此管挖出作局部改造,挖出時觀察在可見范圍的管道幾乎與原來一樣,表面銹蝕不足0.2mm,管道改造后,至今又運行九年,仍然未發生任何問題。
  2005年,由我院設計的南票集中供熱工程全線長18km,管徑DN600,供熱溫度120℃,全線沒設一個補償器,目前已運行五年,情況良好。
  二、高溫熱水管道常態無補償直埋敷設技術的含義
  本文所介紹的常態無補償直埋敷設技術是指高溫熱水管道無補償無預熱無其它特殊要求的常態直埋敷設技術(已申報國家發明專利)。高溫熱水管道目前指的是管道介質工作溫度在130℃及以下。
  本敷設技術包含以下特點:
  1、不采用預熱或一次性補償器的直埋敷設方式,而是真正的無預熱,無補償器,無其它特殊要求的常態無補償直埋敷設。
  2、不采用刻意加大彎頭的曲率半徑來解決彎頭的熱脹應力,這尤其對在城市沿街路敷設的管道,施工時相當有利,而且也降低了造價,減少了占地。
  3、不采用因特定折角而量身定制的彎管安裝方法,定制的彎管價格高,施工周期長,且設計圖紙上的角度與現場實際角度往往會發生變化,這會給施工造成很大麻煩。
  4、對關鍵節點的部件不采用特殊鋼材,全管線所用鋼管的管材包括彎頭、三通等異形件,一律采用Q235B鋼材。
  5、不采用刻意加大埋深的方式來增加管道的穩定性,據我們所知有的工程甚至采用埋深4~6m的方式來增加管道的穩定性,這既增加了施工難度又增加了工程造價。我們采用具體問題具體分析的方式,采用與通常采用的直埋敷設埋深基本相當的常態無補償直埋敷設。
  6、采取措施克服了以往直埋敷設時砼墩內的管道壽命要短于直埋管道壽命的致命弊端?墒鬼哦諆鹊墓艿琅c普通直埋的管道同等壽命使整個管網中的所有管道恢復到同壽命的常態之中。
  鑒于以上六個“常態”特點,此直埋敷設方式稱之為常態無補償直埋敷設技術。
  三、高溫熱水管道常態無補償直埋敷設設計理論基礎
  任何一種新的設計技術的突破首先源于設計理論的突破,以往的熱網設計理論都是基于鋼材的彈性理論限度之內進行,熱力管道是按“虎克定律”理論來設計的,溫升產生熱伸長,熱伸長產生摩擦力。然而實際上直埋敷設的熱力管道,存在著過渡段與錨固段兩種情況,它實質上已經超越了鋼材在彈性理論限度,即鋼材進入了彈塑性階段,換句話說:有補償設計是按鋼材的彈性理論設計的,無補償直埋設計是按鋼材的彈塑性理論設計的。這就是現在設計高溫熱水常態無補償直埋技術的理論基礎。
  四、實踐中的經驗教訓
  采用無補償直埋的管道內部存在巨大的應力,所以,處理好這些應力使管道不被損壞是首要任務。這些管道上所使用的附件,也必須考慮此問題。不按設計要求隨意訂貨,極易造成事故,已有不止一次的事故教訓。
  嚴格地說,高溫水無補償直埋管道在施工時,并沒有比一般管道施工有更高的要求,除個別特殊做法要求以外,一律按普通施工一樣要求。只是要求的更嚴,要求執行的更準確。普通管道敷設有時執行起來可能出現偏差,但在使用時卻不一定能顯現出問題。但對于高溫水無補償設計的管道而言,如果有偏差,就可能會出現較嚴重后果,所以要更嚴格地執行標準。
  無補償直埋技術除了在管壁內產生巨大應力之外,在管道的節點處理上也必須嚴格按設計要求進行。在盤錦熱電廠熱網工程運行中,有一個三通處二次產生扭折斷裂,破壞面在管道周圍形成鋸齒狀斷裂,可想此破壞力之巨大(DN450的管道)。后來,甲方與設計院共同在現場研究,發現此點沒有按設計要求處理。按設計要求修改后,至今沒有再出過問題。
  在管道的彎頭或三通處,必須進行應力計算或驗算其應力是否符合要求,要有一定的保護措施我們認為這是常態無補償直埋敷設管網設計必需考慮的,也是管網安全運行的重要前提,不可忽視。
  五、常態無補償直埋敷設的難點及經濟性
  我院采用此技術如上所述,是經過二十多年通過大量工程實踐逐步探索總結完善形成的。到目前我院已形成了一整套較為成熟的常態無補償直埋敷設設計方法。
  熱力管道常態無補償直埋敷設設計時必須考慮在現有的條件下(管網的走向條件及路障條件)除滿足管道流體功能要求外還要滿足管道各類構件所承受應力的要求及管道運行時的穩定性要求。由于現場條件千差萬別,有些內容在圖紙上無法完全反映,管道的實際施工一旦偏離設計時,還必需保證管網安全運行,這就要求設計人員不僅要熟練掌握管道應力分析及應力變化趨向分析的能力,還要具有相當的實際工程經驗,否則難以做到管網安全可靠運行。
  常態無補償直埋設計的優點大致歸納為以下幾點:
  (1)由于減少或不采用補償器,降低了管網的阻力,約能減少管網阻力的30%,有利于節能運行。
  (2)對管網有可能做到無維修或大大減少維修的工作量。
  (3)由于沒有了補償器,也大大地減少了熱網故障發生率。
  (4)由于大量減少了固定墩,降低了管道對城市道路資源的占有量,這對大城市也是很重要的優點之一。
  (5)施工進度加快,縮短了工程周期。
  (6)降低工程總造價。由于管網大小及管網跨越障礙程度不同,一般能節省工程總投資的12%~15%。
  (7)減少管網熱損失。與有補償直埋敷設管道相比可減少3/5~4/5的管網熱量損失。有實測數據每公里管道內介質溫降為小于0.2℃。
  六、常態無補償直埋工程實例
  常態無補償直埋技術是經過長期工程實踐(初步實驗始于上世紀八十年代未),在工程實踐中直埋敷設的管道熱膨脹量是不符合“虎克定律”的。在“實踐是檢驗真理的唯一標準”思想的指導下,逐漸的實踐總結再實踐,逐步發展到如今我院在常態無補償直埋敷設技術方面有一套較完整成熟的方法。到目前為止,我院所作的此類工程,無一例出過大小事故,無一例使用后甲方不加贊許,無一例采用此技術實施后,甲方再實施同類工程時不要求再用此技術。鑒于上述理由,我院極力主張將此技術推廣到所有高溫熱水管道直埋敷設工程上,它將會產生很大的經濟效益、節能效益及社會效益。---遼寧省城鄉建設規劃設計院 黃壽山 劉 楓
 
 
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