供热管道一次性补偿器覆土预热的研究

次 新 涛

(太原市市政工程设计研究院，山西 太原 030002)

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供热管道一次性补偿器覆土预热的研究

次 新 涛

(太原市市政工程设计研究院，山西 太原 030002)

根据国内外一次性补偿器覆土预热的相关理论，对DN1 000预制直埋保温管不同壁厚下，一次性补偿器间距、预热温度和一次性补偿器单侧预热伸长量进行了计算，结果表明，国内规程的相关理论在工程应用中更安全。

供热管道，一次性补偿器，覆土预热，预热温度

0 引言

在冷安装技术处理难度大的工程中应优先采用预热安装。如地形复杂，分支多、平面折弯多、高程起伏大、地下障碍多、地质条件不好等条件下，采用冷安装施工质量难以保证、安全隐患多，此时应优先考虑预热安装。或者无补偿冷安装管道固定墩推力大到难以实施时，或在安定性条件满足的情况下，管道局部屈曲应力验算通不过时，或无补偿冷安装发生整体失稳时，预热安装也是一种解决方案[1]。

设置一次性补偿器的覆土预热：在管道的直线部分，按一定间距安装一次性补偿器。补偿器间距的大小以保证直管段热膨胀量能够释放给一次性补偿器为出发点。除一次性补偿器外，其余沟槽立即回填，再进行预热升温。升温达到或超过预热温度，逐个观测一次性补偿器，哪个补偿器热膨胀量达到计算值，就将哪个补偿器焊死，直到全部焊死为止[1，2]。

合理布置一次性补偿器间距是个经济技术问题，一次性补偿器间距越大，补偿器数量越少，施工越简单经济性越好，但由于补偿器间距大，管道受覆土摩擦力的阻碍，其热伸长越不容易膨胀，其一次性补偿器降温拉应力越大，存在降温拉断的可能，故合理布置补偿器间距和控制管道热伸长量是一次性补偿器覆土预热成败的关键[1]。下面分析欧洲规范BS EN 13941集中供暖用预绝缘粘结管系统的设计和安装(以下简称“欧规”)[3]和CJJ/T 81—2013城镇供热直埋热水管道技术规程(以下简称“新规程”)[4]中一次性补偿器间距和热伸长量的确定。

1 欧规

一次性补偿器间距与管道所允许的轴向有关，允许轴向力由管道局部屈曲极限状态决定。一次性补偿器布置图见图1[3]。

由局部屈曲极限状态条件可得[3，5]：

(1)

其中，rm为工作钢管的平均半径，m；δ为工作钢管的壁厚，m；σt·all为工作钢管允许拉应力，MPa；σc·all为工作钢管允许压应力，MPa。根据碳钢的性质，允许拉应力等于允许压应力，即σc·all=σt·all=σall。

应力变化范围的计算：

Δσ=αE(T1-T2)

(2)

其中，Δσ为应力变化范围，MPa；α为钢材的线性膨胀系数,m/(m·℃)；E为直埋保温管钢管的弹性模量,MPa；T1为管道工作循环最高温度，℃；T2为管道工作循环最低温度，℃。

对于初次运行考虑管道受土壤摩擦力的作用，其应力储备值为：

σ1=2σall-Δσ

(3)

其中，σ1为应力储备值，MPa；其余符号同上。

管道受土壤摩擦阻力引起的应力值为：

σ2=Δσ-σall

(4)

其中，σ2为管道受土壤摩擦阻力引起的应力值，MPa；其余符号同上。

一次性补偿器距驻点允许距离为：

(5)

其中，Lall为一次性补偿器距驻点允许距离，m；A为钢管的截面积，m2；F为保温管道单长摩擦力，N/m;其余符号同上。

一次性补偿器焊接温度(闭合温度)Tdp计算公式为：

(6)

一次性补偿器一侧最大位移量u计算公式为：

(7)

其中，u为一次性补偿器一侧最大位移量，m；T0为管道预热安装时的环境温度，℃；其余符号同上。

一次性补偿器两侧最大位移量2u。

2 新规程

“新规程”规定：预热管段的计算安装温度不宜高于管道工作循环平均温度，根据冷态压应力和热态压应力相等的原理，可得到其预热计算安装温度为[1，6]：

(8)

其中，tms为直埋管道的平均应力温度,℃；σt1为管道最大工作压力引起的环向应力，MPa；σt2为管道冷运行压力引起的环向应力，运行压力应达到工作压力，MPa；其余符号代表意义同上。

对一次性补偿器的间距给出明确的规定，一般是按照预热温度对应的最小过渡段长度来确定一次性补偿器到固定墩或者驻点的距离，其计算公式为：

(9)

其中，σt为供热管道预热时的环向应力，MPa；其余符号代表意义同上。

覆土预热温度[7]：

(10)

一次性补偿器一侧最大位移量u计算公式为：

u=α(tms-T0)Lall

(11)

一次性补偿器两侧最大位移量2u。

3 案例分析

某市集中供热一次管网的设计压力为2.0 MPa,工作压力为1.6 MPa,钢管规格为DN1 000(外径为1.02 m,壁厚为13 mm),设计供回水温度为130 ℃/70 ℃,采用电预热安装过程中室外大气温度为10 ℃,最低循环温度为10 ℃，α=12.6×10-6m/(m·℃)，E=19.6×104MPa，F=35 170 N/m，管顶平均覆土1.2 m。

下面按照“欧规”和“新规程”确定预热温度、一次性补偿器间距和一次性补偿器单侧最大位移量。

1)“欧规”。

由式(1)～式(5)可得一次性补偿器距驻点允许距离为：

Lall=239.38 m。

由式(6)可得一次性补偿器焊接温度(闭合温度)Tdp计算公式为：

Tdp=111.44 ℃。

由式(7)可得一次性补偿器一侧最大位移量u计算公式为：

u=0.181 m=181 mm。

2)“新规程”。

由式(8)和式(9)可得一次性补偿器距驻点允许距离为：

Lall=149.13 m。

由式(10)可得一次性补偿器焊接温度(闭合温度)Tdp计算公式为：

Tdp=87.46 ℃。

由式(11)可得一次性补偿器一侧最大位移量u计算公式为：

u=0.097 m=97 mm。

同理可以得到壁厚为12 mm，11 mm，10 mm时，Lall，Tdp和u，其计算结果见表1。

表1 DN1 000供热管道不同壁厚下Lall,Tdp和u

从表1计算结果可得，随着壁厚的增加，一次性补偿允许间距、覆土预热温度和预热位移量增加，但“欧规”受壁厚影响比较大，在壁厚比较低的情况下，两种方法计算结果比较接近。壁厚越小，预热温度控制的越低，防止降温一次性补偿器处拉应力过大。壁厚越大，预热温度越高，防止驻点升温处压应力过大。

4 结语

1)供热管道一次性补偿器覆土预热不论是“欧规”还是“新规程”中，在确定一次性补偿器间距还是预热温度时，就考虑了一次性补偿器处降温拉应力和驻点处升温压应力过大的问题。2)“欧规”的思想是尽量利用预热允许的最大温度，从而增大一次性补偿器的间距，减小补偿器的数量，降低初投资。3)“新规程”的思想是在预热温度既要满足管道不屈曲的目的，也要降低降温拉应力，管道或者补偿器被拉断的情况[7，8]。

综上所述，国内规程设计思路比欧规更加安全可靠。

[1] 王 飞,张建伟,王国伟,等.直埋供热管道工程设计.第2版.北京：中国建筑工业出版社，2014.

[2] 王玉峰.城市供热管道一次性补偿预热施工方法.青岛理工大学学报，2006，27(6)：121-124.

[3] BS EN 13941 Design and Installation of Preinsulated Bonded Pipe System for District Heating.London：Standards Policy and Strategy Committee，2009.

[4] CJJ/T 81—2013，城镇供热直埋热水管道技术规程.

[5] 兰德劳皮夫.区域供热手册.贺 平，王 钢，译.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1998.

[6] 王 飞,王国伟,邹平华.基于平均应力的直埋供热管道预热温度.哈尔滨工业大学学报，2010，42(12)：1985-1989.

[7] 王 飞，王国伟，孙 刚，等.直埋管道预热安装的安全性研究.材料科学与工艺，2009,17(2):203-207.

[8] 郭小辉,韩国明,赵 健,等.供热管道一次性补偿器断裂原因分析.压力容器，2006，23(10)：27-30.

Study of one-off compensator of overburden preheating installation

Ci Xintao

(TaiyuanMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute,Taiyuan030002,China)

According to related theory of one-off compensator overburden preheating at home and abroad, the paper gives a calculation of the compensator spacing, preheating temperature and one-off compensator unilateral preheating elongation to DN1 000 prefabricated directly buried insulating pipe with different wall thickness. The results shows that, the theory of domestic regulations in engineering applications is more secure.

heating pipeline, one-off compensator, overburden preheating, preheating temperature

2015-09-13

次新涛(1979- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)33-0133-02

TU833

A