直埋无补偿冷安装在供热工程的设计--项目开发报告(定稿)

大口径高参数无补偿冷安装集中供热技术项目开发报告中冶东方工程技术有限公司2008年11月1 立题依据与设计指导思想1.1 选题针对性城市集中供热发展到目前已有一百多年的历史，它具有节约能源、减少城市污染、改善环境等优点。

在当今世界能源紧张，污染日趋严重的情况下，城市集中供热的优势更加明显。

在二十世纪八十年代以前城市集中供热热网一般都采用管沟敷设方式，即热网沿砖或钢筋混凝土的管沟，管沟结构庞大、材料消耗多、施工周期长，是热网建设速度缓慢的主要矛盾所在。

二十世纪八十年代，我国逐渐开始采用城市供热管网直埋技术。

由于直埋技术具有其独特的优势，如能耗低、施工简单、节省投资、不会对周围环境造成破坏等，直埋技术在我国发展很快。

在近年来又将无补偿冷安装应用于实际工程设计中，其主要特点是系统设计中不用补偿器和固定墩，减少了系统中危险点的数量，提高了管网安全性，节约了工程资金；不用预热，施工周期短，管道寿命长；维护费用低等优点。

目前，国内在城市集中供热管道的设计中采用的安装方法分为有补偿安装和无补偿安装两种。

有补偿敷设就是用整个管系设置补偿器和固定墩的方式来满足管系的应力和热伸长的要求；而无补偿又分为冷安装和预应力安装。

由于预应力安装并不能提高管道的强度，而且增加了成本，因此预应力安装应用的较少；无补偿冷安装作为无补偿安装的主流方式，由于该方法技术难度高，所以采用无补偿冷安装的供热主管径一般都≤DN1000。

无补偿冷安装直埋敷设，改变了以往利用补偿器来吸收管道的热膨胀变形从而使管道应力下降的模式，而是充分利用了钢材本身的强度应力特性，在降低应力水平的前提下实施的一种方法。

随着城市集中供热的区域越来越大，供热需求量也越来越高，供热所要求的主管道也越来越粗，而且供热参数（主要是供水/回水温度）也越来越高，对采用无补偿冷安装提出了更高要求，供热主管径≤DN1000的无补偿冷安装技术已经不能满足市场的实际需求，需要在主管径＞DN1000的无补偿冷安装技术进行探索。

中冶东方公司为适应市场变化的需求，开发适应大口径（DN1100）高参数（供水130℃/回水70℃）供热条件的无补偿冷安装技术，并且在包头市东河区集中供热改建工程得到成功应用。

该工程供热管道设计管径为DN1100，采用了无补偿冷安装直埋敷设方式，管网主干线全长6.8km（单程），供水管设计压力1.6MPa，设计温度130℃。

1.2 项目优越性直埋管网的安装方式从有补偿管沟敷设、直埋敷设发展为目前的无补偿冷安装和预热安装方式。

1.2.1 有补偿安装方式有补偿安装是指在供热管道上加装补偿器和固定支架，利用补偿器来吸收管道的热膨胀变形，从而使管道应力下降的模式。

以前在井室内设置套筒或波纹补偿器，并配套设置套筒导向支座、管道固定支墩，因而造成了井室过大，这样施工周期长，增大了投资；后又发展为直埋式套筒补偿器及波纹补偿器，从而降低了投资。

但有些地方由于地下水中氯离子浓度较高对补偿器产生腐蚀，造成直埋补偿器破裂失效，从而相应增加了检修及维护量。

1.2.2 预应力安装方式预应力安装方式为有敞开式预热安装和设置一次性补偿器覆土后预热安装两种，在管道温度升至预热温度时回填或焊接，在管道温度恢复至环境温度时，管道处于拉应力状态，产生预应力效果。

由于一定量的热胀变形提前释放，管道在工作过程中压应力和拉应力均不超过钢材的许用应力。

1.2.2.1 敞开式预热安装方式在覆土前，管道可以进行敞开式预热。

由于没有土壤摩擦力，管道的热胀变形可以提前释放，预热温度为管段内平均应力为零时的温度。

管道被加热到预热温度时覆土后再冷却，使管道达到一定的平均应力水平。

在首次运行加热移动后，其管端的位移与冷安装的位移大致相同，但避免了冷安装在首次移动时的较大位移。

1.2.2.2 设置一次性补偿器覆土后预热安装方式这种方法是在管道的直段部分，按计算的间距分段安装一次性补偿器，并仅在补偿器附近的沟槽处敞口，其余沟槽回填。

一次性补偿器的补偿量在预热前调整为设计值，当管道首次加热使补偿器的伸长量到位后将一次性补偿器焊接为整体，管道的热胀变形得到了提前释放。

由于土壤摩擦力的作用，在两个一次性补偿器之间的局部应力，将高于补偿器处的应力，然而，由于系统温度的变化，在多次变化以后，应力将均匀一致。

预应力安装对施工质量的要求很高，预热费用也比较大。

因此，使用不是特别广泛。

1.2.3 无补偿冷安装方式无补偿冷安装是指供热管道的整体焊接温度等于沟槽回填时的温度，即管线焊接和沟槽回填等安装过程都是在正常的环境温度下进行的。

管道应力验算采用分类法和安定性分析理论，设计中考虑各种载荷条件可能的组合，将应力根据其起因、来源、作用范围、性质和危害程度不同进行分类，采用不同的强度验算条件。

按照以上方法设计的直埋热水管道，直管段通常可以不设补偿装置且不必预热，管道焊接和沟槽回填等安装过程都在冷态条件下进行。

在冷态的环境温度下管道处于零应力状态，在运行工况下热应力增大，但应力变化范围始终控制在允许值之内。

该设计方法在热水管道直埋敷设中可以发挥明显优势，利用温度应力具有自限性的特点，充分发挥管材的承载能力。

1.3 开题理由经过近几年集中供热的发展可以看出：无补偿冷安装与有补偿和预热方式的性能比较具有如下明显优点：·安装简单，施工周期短；·减少了固定墩和检查井，占地少；·管道不动的锚固段较长，管路附件少，维修管理工作量少，运行安全可靠；·管网停运期间管道处于低应力状态，管道维修施工和分支安装不必采取特殊措施；·投资少，无预热或额外补偿装置所需要的费用。

·泄露点少，便于维修。

虽然无补偿冷安装具有很多优点，但是由于无补偿冷安装锚固段中管道轴向力较大，应力集中通常发生在管路附件（如弯头、折角、三通、异径管、阀门等）处。

在温度和压力变化过程中，应力集中引起的峰值应力，虽然将在很小的局部范围内产生循环塑性变形，仍然对这些管路附件要求强度较大，为防止管系的纵向失稳，管道需增加敷设深度和管道壁厚。

目前，在国内≤DN1000管道的无补偿冷安装技术已经基本成熟，但是≥DN1000管道的无补偿冷安装技术在国内、乃至世界供热行业尚无先例，而随市场需求的变化开发大口径的无补偿冷安装技术就十分必要。

2 技术难点、技术突破与主要技术创新点为规范我国城镇直埋供热管道的设计，由建设部组织指定的我国行业标准《城镇直埋供热管道工程技术规程》（CJJ/T81-98）已于1999年颁布实施，但该规程的设计对象仅限于供热介质温度小于或等于150℃，公称直径小于或等于DN500的直埋热水管道。

但超过DN500的直埋管道的设计依据规范中未做规定。

包头市东河区集中供热改建工程供热管道设计最大管径为DN1100，并且采用无补偿冷安装直埋敷设方式在2006年以前在世界上是始无前例的。

为此我们与业主单位（东华热电—华源热力有限公司）一起考察了承德热力公司，新疆乌鲁木齐热力公司等，其供热管道设计最大管径为DN1000。

经过我们反复讨论、论证、计算后确定该工程DN1100供热管道采用无补偿直埋敷设方式。

2.1 直埋供热管道的应力分析2.1.1 应力分析由于内压和持续外载作用而产生的应力称为一次应力，它取决于静力平衡条件。

如果一次应力超过了极限状态，管道会发生无限的塑性流动，会导致爆裂或断裂。

位移作用可以是由于给定的位移或变形，如热胀变形或管道沉降；也可以是由于位移或变形引起的力，如土壤的轴向摩擦力和压缩反力。

由位移作用所产生的应力称为二次应力，取决于变形协调条件，所产生的变形总能使应力下降，使变形不再发展。

如果二次应力超过了极限状态，钢材也会产生屈服，发生塑性变形，但不会产生无限的塑性流动。

另外，在管道局部连接处，如弯头、折角、大小头、三通等管件处，力作用和位移作用都会产生应力集中，所产生的应力称为峰值应力。

峰值应力不会引起显著的变形，但循环变化的峰值应力也会造成钢材内部结构的损伤，导致管道的局部疲劳破坏。

2.1.2 应力计算由内压所产生的一次应力和土壤侧向压缩反力引起的管道二次应力的计算可按照《城镇直埋供热管道工程技术规程》进行。

对于大口径直埋管道，由于管道本身自重大，当管道发生轴向位移时，由自重产生的管道与土壤之间的摩擦力就不可忽略。

摩擦力的计算公式中应考虑到管道自重，其计算公式为：F=μ[πρg(h+Dw／2)Dw+G]式中：F——轴线方向每1 m管道的摩擦力，N／m；μ——外管壳与土壤的摩擦系数；ρ——土壤密度，一般砂土取1800kg／m3；g——重力加速度，m/s2；h——管顶覆土深度，m；Dw——预制保温管外壳的外径，m；G——每1m预制保温管的满水重量，N/m。

按管顶覆土深度1.5m计算，DN1100供热管道轴线方向每米管道的摩擦力为60228N／m。

2.1.3 应力校核由于直埋管道的一次加二次应力的当量应力最大值是出现在锚固段管道，应力验算主要对象是锚固段，因此该段内管道的参数应满足下列公式：（1.25-γ）σt-αE(t2-t1)≤3[σ]则认为管道的参数的选取是合适的。

式中：γ——钢材的泊松系数，取0.3t2——管道工作循环最低温度，（半年运行取10℃，全年运行取30℃）t1——管道工作循环最高温度，130℃E——钢材的弹性模量，取19.6 x104Mpaα——线性膨胀系数，取11.74x10-6m/m℃σt——管道内压引起的环向应力，MPaσt=PdDi/2δ式中：Pd——管道计算压力，取1.6MpaDi——钢管内径（Φ1120x14）=1.092mδ——钢管公称壁厚0.014m由此算得σt=1.6 x1.092/（2x0.014）=62.4 MPa（1.25-0.3）x62.4-11.74x10-6x19.6 x104 x（10-130）=335.4MPa ≤3 x125MPa从以上计算结果可以看出，管道参数的选取是合适的，说明管道是非常安全的。

2.2 直埋管道的失效分析对于大口径直埋供热管道，在设计中除了进行管道强度的计算外，还应对管道的安全状态进行分析，考虑管道可能出现的失效变形。

直埋供热管道的失效包括强度失效与稳定失效两个方面。

2.2.1 强度失效（1）循环塑性变形在直埋供热管道中，温度应力起决定性作用。

当温度变化较大而热胀变形又不能完全释放时，升温过程会使管壁因轴向压应力而产生轴向压缩塑性变形；降温过程则会使管壁因轴向拉应力产生轴向拉伸塑性变形。

在管道的使用期内，由于循环变化的压力和温度变化产生的应力超过2倍的屈服应力时，将会产生循环塑性变形。

（2）无限塑性流动由于内压作用而产生的一次应力超过屈服应力时，管壁会产生较大的塑性变形，出现无限的塑性流动，引起管道爆裂或断裂。