大管径直埋供热管道穿越河流关键设计内容
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第３３卷第１２期 ２０１３年１２月 煤气与热力 ＣＡＳ＆ＨＥＡＴ Ｖｏｌ＿３３ Ｎｏ．１２ Ｄｅｅ．２０１３ ・供热热网与热力站・ 大管径直埋供热管道穿越河流关键设计内容 李 毅 （太原市市政工程设计研究院，山西太原０３０００２） 摘 要： 结合工程－￣，－Ｎ，对ＤＮ １ ０００ ｍｍ直埋热水供热管道穿越河流关键设计内容进行了探 讨，涉及安装方式的选取、施工方案、工作钢管壁厚计算、抗浮验算、直埋弯头强度验算等。 关键词： 供热管道； 穿越河流； 预应力安装； 抗浮验算； 直埋弯头 中图分类号：ＴＵ９９５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１０００—４４１６（２０１３）１２—０Ａ０７—０３
作者简介：李毅（１９７９一 ），女，山西太原人，工程师，硕 士，从事供热工程设计工作。 １工程概况 某供热管网工程设计压力为１．６ ＭＰａ，设计供、 回水温度为１３０、７０℃，管径为ＤＮ １ ０００ ｍｍ预制直 埋保温管（工作钢管材质为Ｑ２３５Ｂ，绝热层为聚氨 酯硬质泡沫塑料，保护层采用高密度聚乙烯外套 管）。供热管道由热源引出后自西向东敷设至该市 河东区，根据现场踏勘结果，供热管道需要穿越汾河 河道。根据当地相关部门的要求，过河管道的建设 不能影响河道的河势稳定和行洪能力，也不能影响 城市景观。 ２关键设计内容 ①安装方式的选取 过河供热管道的布置见图１。为减少管网中补 偿器数量，降低泄漏的危险，该工程选用直埋无补偿 敷设。直埋无补偿敷设分为冷安装、预应力安装方 式，其中预应力安装方式可分为预热安装、一次性补 偿器安装方式 Ｊ。对于分支较少，地下障碍较少， 地势平坦，地质条件较好的热水供热系统，推荐采用 冷安装方式。而该工程地形复杂，起伏大，地质条件 不佳，加之管径较大，易出现局部失稳。若采用冷安 装方式，难度大、成本高，因此我们决定采用预热安 装方式。在管道中设置一次性补偿器，管道焊接后， 除一次性补偿器附近管沟外，其他管沟立即回填。 在首次加热过程中，当一次性补偿器的补偿量达到 补偿管段所要提前释放的热膨胀量时，把一次性补 偿器焊死，完成管道的整体焊接。 东岸 套筒 器 筒补偿器 一次 套筒 补偿器 图１ 过河供热管道布置 ②施工方案 施工期为枯水季节，施工步骤为：设置围堰，开 挖管沟；夯实沟底；沟底铺设３００ ｍｍ厚底层砂；下 管；纵向组对；调直或调弯；焊接管道；焊缝探伤（超 声波或ｘ射线）；压力试验；回填３００ ｍｍ厚细砂；细 砂上回填３００ ｍｍ厚碎石；为保证供热管道在汛期 安全稳定，将厚度为５００ ｍｍ的镀锌钢丝石笼网（俗 称铅丝石笼网）铺设在回填碎石上；修复河道。 ・Ａ ０７・
第３３卷 第１２期 煤气与热力 地质报告显示，沟底土质以砂石居多，能够避免 管基受到扰动，因此不必再铺设天然级配砂石，降低 了工程造价。若沟底土质以淤泥居多，应在沟底铺 设天然级配砂石，一是防止洪水来临时沟底混浆、塌 方，甚至出现漂管；二是避免管基受到扰动，导致承 载力下降。 管道底部及周围填砂对保证工程质量、延长供 热管道寿命有着重要意义：首先可有效提供对垂直 荷载的支撑，与回填土相比，减小了预制直埋保温管 保温层的垂直受力。其次，填砂可以起到均压作用， 还可保证回填质量，防止垃圾土、坚硬石块、砾石等 直接作用于预制直埋保温管外壳。 充分考虑安全余量，迎冲刷面的镀锌钢丝石笼 网比管沟边缘长３．６ ｍ，背冲刷面的镀锌钢丝石笼 网比管沟边缘长３ ｍ。经过水流频繁冲刷，迎冲刷 面一侧比管沟边缘长出的镀锌钢丝石笼网将向下弯 曲，能够保护供热管道。镀锌钢丝石笼网选用优质 镀锌钢丝，石笼内码放卵石，要求单块粒径为１００～ ２００ ｍｍ。 ③工作钢管壁厚计算 根据ＣＪＪ／Ｔ ８１—９８《城镇直埋供热管道工程技 术规程》，满足内压要求的计算壁厚６ 的计算式为： ６（：＝６ ＋６ ｄｄ （１） ６ ： （２） Ｄｔ ｚ ６ １＝ （３） 式中６ ——满足内压要求的计算壁厚，ｍｍ ６ ——工作钢管的理论计算壁厚，ｍｍ （￣ａｄｄ——工作钢管壁厚附加值，ｍｍ ——设计压力，ＭＰａ，为１．６ ＭＰａ Ｄ ——工作钢管外直径，ｍｍ，为１ ０２０ ｍｍ 钢材在计算温度（１３０℃）下的基本 许用应力，ＭＰａ，Ｑ２３５Ｂ钢材在２０～ ２００ ｏＣ下的基本许用应力为１２５ ＭＰａ ——基本许用应力修正系数，取１．０ ——壁厚负偏差系数，取０．２ 由式（１）～（３）可计算得到满足内压要求的计 算壁厚６ 为７．８ ｍｍ，即工作钢管的取用壁厚不得 小于７．８ ｍｉｌｌ。为确保过河管道的安全，工作钢管的 壁厚取１３ ｍｍ。 ④抗浮验算 为了克服浮力对管道产生的影响，保证管道的 稳定性，需要进行抗浮验算，满足以下判别条件： 。＋ ≥Ｆ （４） 式中 ——单位长度预制直埋保温管自身结构 重量（不含管内供热介质），Ｎ／ｍ ——单位长度预制直埋保温管管顶覆土 重量，Ｎ／ｍ Ｆ——单位长度预制直埋保温管完全浸没时 所受浮力，Ｎ／ｍ 单位长度预制直埋保温管完全浸没时所受浮力 Ｆ的计算式为： ｐｇ＇ｒｒ （５） 式中ｐ——水的密度，ｋｇ／１ＴＩ ｇ——重力加速度，ｍ／ｓ ，取９．８ ｍ／ｓ ｄ ——预制直埋保温管ＰＥ管外直径，ｍ，取 １．１５５ ｍ 由式（５）可计算得，单位长度预制直埋保温管 完全浸没时所受浮力为１０ ２６３ Ｎ／ｍ。 单位长度预制直埋保温管自身结构重量 的 计算式为： ＝ＷＢ 一Ｗｗ （６） Ｗｗ： Ｄ５ － （７） 式中 ——单位长度预制直埋保温管总重量 （含管内供热介质），Ｎ／ｍ，取１０ ４０２ Ｎ／ｍ ——单位长度预制直埋保温管内水的重 量，Ｎ／ｍ Ｄｉ——工作钢管内直径，ｍ，为０．９９４ ｍ 由式（６）、（７）可计算得，单位长度预制直埋保 温管自身结构重量为２ ８０１ Ｎ／ｍ。 单位长度预制直埋保温管管顶覆土重量 的 计算式为： ：ｐ ｇｈｂ （８） 式中ｐ ——覆土密度，ｋ ｍ’，取１ ８００ ｋｇ／ｍ。 ＾——覆土深度，１ＴＩ，取２ １３＂１ ６——覆土宽度，ｍ，取１．１５５ ＩＴＩ 由式（８）计算得，单位长度预制直埋保温管管 顶覆土重量为４０ ７４８ Ｎ／ｍ。由式（４）可知，设计满 足抗浮验算判定条件。 ・Ａ ０８・
李毅：大管径直埋供热管道穿越河流关键设计内容 第３３卷第１２期 ⑤直埋弯头强度验算 西岸点Ａ处的竖向弯头转角达１７１。，强度验算 尤为关键。根据安定性理论，点Ａ处的竖向弯头应 力强度判别式为： ＝ｌ。～／ ３ｂＭ Ｒｂｏ ｆｌｈ＝０．９１ Ａ＝ ： 一 ｂ。： Ｄｏ ，ｈ：订生６４ ＰＤＲ Ｏ－ｐｔ Ｄ 尺ｂｊ＝ 式中Ｏ－ ——弯头在弯矩作用下最大环向应力变 化幅度，ＭＰａ 。 ——弯头在内压作用下弯头顶（底）部的 环向应力，ＭＰａ ——弯头平面弯曲环向应力加强系数，取 值见表１ 一弯头的弯矩变化范围，Ｎ・ｍ，计算方 法参考ＣＪＪ／Ｔ ８１—９８ Ｒ 。——弯头的外半径，ｉｎ ——弯头横截面的惯性矩，１３３ Ａ——弯头的尺寸系数，取值见表１ Ｒ ——弯头的计算曲率半径，ｍ ６ ——弯头的壁厚，ｉｎ，取０．０１３ ７５ ｍ Ｒ ——弯头横截面的平均半径，ｍ ｉ——弯头的内半径，ＩＴＩ 表１卢 与Ａ的取值 Ｒｃ／ｍ ６ １０ １５ ２０ ＪＢｂ １．９２ ３．２１ ４．８１ ６．４１ ● Ａ ０．３２ Ｏ．５３ Ｏ．８０ １．０６ Ｏ＇ｂｔ＂１＂０，５Ｏｒｐｔ Ｉ ｌ ｌ ｌ Ｉ Ｉ是否满足判别条件ｆ不满足ｆ不满足ｆ满足ｆ满足Ｉ
收稿日期：２０１２—１２一ｌ９；修回日期：２０１３—０４—３Ｏ ・Ａ ０９・ 、 、，、，、，、，＼ 、 、 ＼ ９ ０ ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ／ １ １ １ １ １ １ ｌ ｌ ， ／ ／ ／ ／ ／ ／
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