閆 冠 龍

(太原市市政工程設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030002)

0 引言

城市集中供熱作為城市一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)設(shè)施，是城市發(fā)展水平的重要標(biāo)志。目前全國的新建熱電廠大都遠(yuǎn)離城市，位于遠(yuǎn)郊的熱電廠需要通過長輸供熱管道遠(yuǎn)距離將熱源輸送至城市中心。因此，為解決大氣環(huán)境污染，山西省太原市采用了長輸管線供熱，該工程于2016年年底實(shí)現(xiàn)了古交熱源輸送太原。

1 工程概況

隨著國電太原第一熱電廠搬遷，太原市河西地區(qū)熱源將出現(xiàn)缺口，且為解決古交熱源向南輸送的問題，實(shí)現(xiàn)太原市集中供熱全覆蓋目標(biāo)，于2017年實(shí)施了九院沙河—大井峪路供熱管線工程，該工程管線管徑為DN1 400。

2 管材及壁厚選用

直埋供熱管網(wǎng)管道材料通常選用Q235B，質(zhì)量要求符合GB 700標(biāo)準(zhǔn)，鋼管DN200 mm以上全部采用螺旋焊管，DN200 mm及以下采用20號鋼無縫鋼管，而本工程則主干線DN1 400采用螺旋縫電焊鋼管，材質(zhì)選用為L290。

L290與Q235B性能見表1。

表1 管材性能

從表1可以看出，L290明顯優(yōu)于Q235B，各項(xiàng)指標(biāo)控制嚴(yán)格，更適合大口徑管道應(yīng)用，因此結(jié)合價格因素及鋼材性能考慮，DN1 400主干線選用L290鋼材。

線鋼是在傳統(tǒng)的C-Mn鋼的基礎(chǔ)上加上合金元素(主要以Nb，V，Ti或少量的Mo，Cu，Ni，Cr及B)，以合金元素來對管線鋼進(jìn)行合金設(shè)計(jì)，達(dá)到不同的強(qiáng)度等級及性能要求，結(jié)合控軋控冷的新工藝，生產(chǎn)出綜合性能優(yōu)異的管線鋼。管線鋼各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于Q235B，特別是管徑大，超過低壓上限的輸送管線中，應(yīng)考慮水錘壓力和考慮安全系數(shù)的情況下，應(yīng)盡可能的使用管線鋼。管線鋼鋼號最低為L175，以上依次為L210，L245,L290，L320及更高鋼號，其中L245與Q235B屈服強(qiáng)度相近，比較意義不大，選用L290時，由于許用應(yīng)力增加，可以降低壁厚。

L290鋼：許用應(yīng)力按138 MPa計(jì)算，計(jì)算公式如下[2]：

δ≥δm+B，

B=×δm。

其中，δm為工作管最小壁厚，m；Pd為管道計(jì)算壓力，MPa；Do為工作管外徑，m；[σ]為鋼材的許用應(yīng)力，MPa；δ為工作管公稱壁厚，m；δm為工作管最小壁厚，m；η為許用應(yīng)力修正系數(shù)，無縫鋼管取1.0，螺旋焊縫鋼管，可取0.9；Y為溫度修正系數(shù)，可取0.4；B為管道壁厚負(fù)偏差附加值，m；為管道壁厚負(fù)偏差系數(shù)。

其他計(jì)算參數(shù)和上述Q235B計(jì)算相同，選用L290管材時，計(jì)算壁厚為15.6 mm，考慮安全余量，建議選用壁厚18 mm。

3 敷設(shè)方式

目前供熱管網(wǎng)的設(shè)計(jì)方式較多，主要有補(bǔ)償、預(yù)熱安裝及無補(bǔ)償冷安裝等。但采取何種安裝方式是在制定設(shè)計(jì)方案時首要考慮問題，目前采用較多的是無補(bǔ)償冷安裝方式[1]，從表2可以看出，尤其是在城市道路下埋設(shè)供熱管線，地下各種管線錯綜復(fù)雜，供熱管線本身體量較大，如果各種附件設(shè)置太多或者工期較慢勢必會對其他管線的安裝及道路設(shè)施造成不利的影響。

表2 管線安裝方式對比

無補(bǔ)償冷安裝直埋熱水管道，直管段通?？梢圆辉O(shè)補(bǔ)償裝置且不必預(yù)熱，管道焊接和溝槽回填等安裝過程都在冷態(tài)條件下進(jìn)行。無補(bǔ)償冷安裝是指供熱管道的整體焊接溫度等于溝槽回填時的溫度，即管線焊接和溝槽回填等安裝過程都是在正常的環(huán)境溫度下進(jìn)行的。

在冷態(tài)的環(huán)境溫度下管道處于零應(yīng)力狀態(tài)，在運(yùn)行工況下熱應(yīng)力增大，但應(yīng)力變化范圍始終控制在允許值之內(nèi)。在熱水管道直埋敷設(shè)中可以發(fā)揮明顯優(yōu)勢，利用溫度應(yīng)力具有自限性的特點(diǎn)，充分發(fā)揮管材的承載能力。

無補(bǔ)償冷安裝相對于有補(bǔ)償和預(yù)熱方式的性能比較具有如下明顯優(yōu)點(diǎn)：

1)減少了固定墩和檢查井，占地少；

2)安裝簡單，施工周期短；

3)投資少，無預(yù)熱或額外補(bǔ)償裝置所需要的費(fèi)用；

4)管道不動的錨固段較長，管路附件少，維修管理工作量少，運(yùn)行安全可靠；

5)管網(wǎng)停運(yùn)期間管道處于低應(yīng)力狀態(tài)，管道維修施工和分支安裝不必采取特殊措施；

6)泄露點(diǎn)少，便于維修。

4 彎頭應(yīng)力驗(yàn)算

管道彎頭選用焊制或沖壓彎頭，三通均采用跨越型式，焊縫探傷要求符合Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)。橫向波紋管補(bǔ)償器采用多層結(jié)構(gòu)，液壓成型，材質(zhì)為SUS316L。套筒補(bǔ)償器采用柔性填料型，芯管鍍鋅或鉻。

彎頭應(yīng)力計(jì)算公式如下[5]：

σbt+0.5σpt≤3[σ]，

其中，σbt為彎頭在彎矩作用下最大環(huán)向應(yīng)力變化幅度，MPa；βb為彎頭平面彎曲環(huán)向應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)；Ib為彎頭橫截面的慣性矩，m4；rbo為彎頭橫截面的外半徑，m；M為彎頭的彎矩變化范圍，N·m；δb為彎頭的公稱壁厚，m；rbm為彎頭橫截面的平均半徑，m；λ為彎頭的尺寸系數(shù)；R為彎頭的曲率半徑，m；[σ]為鋼材的許用應(yīng)力，MPa；σpt為彎頭在內(nèi)壓作用下的最大環(huán)向應(yīng)力，MPa；Pd為管道計(jì)算壓力，MPa；rbi為彎頭橫截面內(nèi)半徑，m；δb為彎頭的公稱壁厚，m。

5 固定墩

傳統(tǒng)直埋設(shè)計(jì)中固定支墩的推力計(jì)算很大，尤其在大口徑的供熱管道產(chǎn)生的推力高達(dá)上千噸，導(dǎo)致土建專業(yè)設(shè)計(jì)的固定墩尺寸太大，不但增加造價，施工困難，而且延長了施工工期。因此，允許固定墩的產(chǎn)生微量墩位移，這樣就可以大大減小固定墩的合成推力，降低工程投資額[2]。

6 保溫層及保護(hù)層

6.1 保溫層材料

主要技術(shù)性能應(yīng)滿足下述指標(biāo):

密度不應(yīng)大于350 kg/m3，平均工作溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)值不得大于0.12 W/(m·K)。

除軟質(zhì)、散狀材料外，半硬質(zhì)的保溫材料壓縮10%時的抗壓強(qiáng)度不應(yīng)小于0.2 MPa，硬質(zhì)預(yù)制成型制品的抗壓強(qiáng)度不應(yīng)小于0.3 MPa。直埋部分管道選用高密度聚乙烯外護(hù)管聚氨酯泡沫塑料預(yù)制直埋保溫管，保溫層為聚氨酯泡沫塑料。

6.2 保溫層厚度計(jì)算

對于聚氨酯泡沫塑料保溫層，推薦經(jīng)濟(jì)厚度供水管為80 mm，回水管道60 mm，實(shí)際使用時，供水管保溫層選用厚度100 mm，回水管保溫層仍選用厚度60 mm。

對于DN1 400長距離輸送管道，輸送到熱力站的供水溫度直接影響溴化鋰機(jī)組的換熱效果，影響各個熱力站的回水溫度，從而最終影響電廠內(nèi)的余熱回收效果，影響工程的整體經(jīng)濟(jì)性，因此保溫效果至關(guān)重要。根據(jù)上述保溫厚度測算：

1)長輸管道散熱損失。

供水管道對于供熱效果影響較大，回水管道由于可以通過乏汽加熱彌補(bǔ)溫度損失，因此僅計(jì)算供水管道熱損失。按上述保溫結(jié)構(gòu)，管道熱損失不超過65 W/m2，供水管道輸送熱損失約1%。

2)管道表面溫度計(jì)算。

根據(jù)上述數(shù)值計(jì)算，管道表面溫度僅比環(huán)境溫度高3 ℃～4 ℃。

7 其他技術(shù)要點(diǎn)

供熱管道敷設(shè)方式采用無補(bǔ)償冷安裝直埋敷設(shè)方式，無補(bǔ)償冷安裝中錨固段管道軸向力較大，在溫度和壓力變化過程中，應(yīng)力集中引起的峰值應(yīng)力，應(yīng)力集中通常發(fā)生在管路附件(如彎頭、折角、三通、閥門等)處。因此，在管道折角處，采用大曲率半徑的彎管進(jìn)行處理，可大大減少折角的應(yīng)力集中，避免為保護(hù)折角設(shè)置大量的補(bǔ)償器和固定墩，提高了管網(wǎng)的可靠性和安全性，減小了施工難度，加快了施工進(jìn)度和大大減小了工程造價，是目前處理小折角最先進(jìn)的設(shè)計(jì)工藝，進(jìn)一步提高了無補(bǔ)償冷安裝的設(shè)計(jì)理念。

8 結(jié)語

大口徑供熱管線設(shè)計(jì)本著符合城市總體規(guī)劃及熱力規(guī)劃，切實(shí)結(jié)合城市建設(shè)發(fā)展特點(diǎn)[3]，統(tǒng)籌安排合理設(shè)計(jì)方案，技術(shù)先進(jìn)，環(huán)?？煽浚?jié)能要顯著，降低工程造價，加快工程進(jìn)度，城市發(fā)展進(jìn)一步作出貢獻(xiàn)。