供热管道无补偿直埋方式的优缺点

摘要：随着经济发展和居民生活质量的提高，城市集中供热因其易控制、能源利用率高，供热范围广和环境影响较低等优势得到迅速发展。但随着城市集中供热的推广和室内采暖系统采用热计量，也产生了一系列的问题。对城市集中供热管网设计也提出了更高的要求。本文就供热管道无补偿直埋方式的优缺点进行分析，提出自己粗浅的看法。

关键词：城市集中供热管网、无补偿直埋方式、优点、缺点

中图分类号：TU995文献标识码： A 文章编号：

1.前言

我国对供热管道直埋无补偿研究起步较早。在上个世纪七十年代，北京煤气热力工程设计院就将火力发电厂汽水管道的设计理论引入到直埋管道设计上，该理论对管道应力分类，以在温变应力下不出现循环塑性变形为安定性条件，即安定性分析。在安定性理论验算下，对运行温度在85～150℃的直埋供热管网，一般可不设补偿器直埋敷设。

进入九十年代，北欧也意识到了在直埋供热管网中应用弹性理论没有反映钢材塑性变形和温变应力破坏的关系，也没有充分利用钢材自身塑性潜力。欧洲也制定了直埋无补偿的计算和设计方法。1999年我国正式颁布实施了《城镇直埋供热管道工程技术规程》（CJJ/T81－98）。规程中明确规定：管道应力验算采用应力分类法。然而由于传统的弹性设计理论根深蒂固，加之设计人员保守观念，供热管道直埋无补偿技术推广和应用举步为坚，甚至有不少人认为直埋无补偿是天方夜谭，会给管网运行带来重大事故。2004年建设部218号公告《建设部推广应用和限制禁止使用技术》中明确将“直埋热水管道无补偿敷设技术”列为推广技术。2006年建设部的《建设事业“十一五”重点推广技术领域》(建科[2006]315号)中将“新型高效采暖空调与制冷技术、输配管网节能技术”列为“十一五”重点推广技术。

国内外大量的工程实践已经完全证明了直埋无补偿技术的可行性、实用性和安全性。目前供热管道直埋无补偿设计方法有两种：一种是北欧的计算方法，应用第四强度理论，采用极限分析，管道安装时需要预热安装；一种是北京煤气热力工程设计院的计算方法：应用第三强度理论，采用应力分类、安定性分析，管道安装冷安装即可。冷安装与预热安装相比较更为方便、快捷，易于应用和推广。

目前，直埋管道敷设方式主要有无补偿和有补偿两种，其中国内外在无补偿方式是建立两种不同的理论基础，一是安定性分析理论，另一是弹性分析理论。

(1)安定性分析理论

本世纪60年代由美国机械工程师协会提出的按应力分类法和塑性力学中安定性分析概念为基础的新的强度设计规范（简称ASME规范），该规范所采用的应力分为一次应力、二次应力及峰值应力。由热力管道内压及外载产生的一次应力不是自限性的。由温差产生的二次此应力是自限性的。对不同的应力规定不同的应力强度限制值，设计计算中，以一次应力和二次应力的组合形式来进行校核。实践证明，对于DN500以下的热力管道的敷设，采用这种理进行设计是可行的，也是最简单的，并证明温度为150°C以下的直埋管道的直线段，完全可以不装补偿装置。

(2)弹性分析理论

弹性分析理论是北欧各国设计直埋管道的依据，要求供热管网在工作之前必须进行预热，预热温度是在管道的运行温度和限制的最低温度之间。要求预热温度与工作温度及最低温度的温差所产生的热应力，不得超过管材的许用应力。预热方式有两种：敞开式和覆盖式。敞开式方式不需补偿，不必设固定点，工程造价最低，但管沟敞开时间长。覆盖式方式，由于土壤摩擦力的影响，管道预热的热应力，不能完全被管道的转角所补偿，需设补偿器。并且补偿器必须在预热后焊死以形成一体，补偿器之间的距离不得大于最大安装长度的两倍，并需在直管段两端设固定点，以防止管道弯头破坏。

供热管道无补偿直埋方式的优缺点

2.1供热管道无补偿直埋方式的优点

在安装管道时，首先给管道加热到一定温度，然后将管道焊接固定，当管道恢复到安装温度时(温度降低)，管道预先承受了一定的拉应力。当管道通热工作时，随着温度的升高，管道应力为零，当继续升温时，管道的压应力增加，当温度升到工作温度时，管道的压应力(热应力)仍小于许用应力。这样，管道可以不用补偿装置而正常工作了。这种无补偿方式应用第四强度理论，施工时需要对管道预热，施工比较麻烦，但国内外已有大量工程实践，理论计算可靠，能确保安全。另一种无补偿方式是近几年由我国北京煤气热力设计院提出的计算方法和应力分类采用安定性分析，应用第三强度理论。这种方式充分发挥钢材塑性潜力，施工方便，无需预热。而不是通过管线自然补偿和补偿器(如方形和波纹管补偿器)来解决管道热伸长量的，从而使热应力为最小；无补偿直埋敷设，简单地说就是管道在受热时没有任何补偿措施，而是靠管材本身强度来吸收热应力。

埋设深度要考虑管道的稳定要求，稳定性主要与覆土厚度有关，一般比有补偿埋得深，当采用不预热的无补偿直埋敷设管道时，最小覆土深度应按《城市热网设计规范》(CJJ34—90)第7.2.15条执行，覆土厚度应与管径大小成正比。

2.2供热管道无补偿直埋方式的缺点

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。

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。

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。

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。

结束语

热力管线工程运行是否正常直接关系到居民生活质量，在设计过程中应遵循技术先进、经济合理、安全适用的原则，作为一项系统工程，从管网的设计到管道的 制造、安装及管网的启动运行，每个环节都直接影响着工程的成败。而一项好的设计可以使产品的性能得以充分发挥，可以最大限度地减少施工中的困难，可以降低工程造价。因此，我们的设计一定要做到严谨合理，为工程的成功提供可靠的前提保证，如若不然，不仅增加工程造价，同时还由于设计不当而削弱了热力管线运行的安全性和可靠性。