保温管直埋敷设技术

2019-05-30

保温管 道的敷设一般有三种方式:架空敷设、管沟敷设、直埋敷设。架空敷设一般多用于工厂厂区,为了美观考虑,很少或不用于城市及生活小区供热;管沟敷设一般用于高压蒸汽管、采暖管道及冷冻水管道;直埋敷设将管直接埋于地下,可节约大量建筑材料和工时,不需管架,

    保温管道的敷设一般有三种方式:架空敷设、管沟敷设、直埋敷设。架空敷设一般多用于工厂厂区,为了美观考虑,很少或不用于城市及生活小区供热;管沟敷设一般用于高压蒸汽管、采暖管道及冷冻水管道;直埋敷设将管直接埋于地下,可节约大量建筑材料和工时,不需管架,不需筑沟,安装费用低,是最经济的一种敷设方式。
1  保温管直埋技术的发展
    保温管直埋技术的发展,已有几十年的历史。以前的管道保温材料经实践证明吸水率大,直埋管道腐蚀严重。因此,直埋管道技术局限性很大,仅仅适用于地下水位低、土质干燥且无腐蚀的地方。
    近来年,我国出现了两种新型预制保温管:一类是天津大学根据国外经验研制的保温结构为“氰聚塑”形式的预制保温管;一类是引进国外生产线生产的“管中管”形式的预制保温管。前者由钢管、氰凝防腐层、硬质聚氨酯泡沫塑料保温层和玻璃钢保护层四部分组成;后者由钢管、泄漏报警线、硬质聚氨酯泡沫塑料保温层和高密度聚乙烯管保护层组成。两种预制保温管都具有很强的防水、防腐蚀能力,可用于地下水位高、土壤潮湿地区,从而使保温管直埋技术发展到一个新水平。
    通用型的保温管的使用温度≤120 ℃,高温型的保温管的使用温度≤150 ℃。适用介质有热水、低压蒸汽或其它热介质,也可用于保冷工程。为了提高使用温度,可采用复合保温,内保温层用耐高温的材料,在其外面再用聚氨酯泡沫塑料和保护层,保温效果均很好。
    据试验,氰聚塑保温管的使用寿命在15 年以上“, 管中管”保温管的使用寿年是35~50年。
2  保温管直埋敷设技术的分类及特点
2.1  无补偿直埋敷设
    无补偿直埋敷设的供热管网,设计时无需设置专用的补偿装置或考虑管道自然转弯吸收管道受热伸长。安装时,在尚未回填的敞开沟槽内把所敷设的管道加热,当达到预定温度时,进行回填。预热温度在管道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,不得超过管材的允许应力。
    无补偿直埋方式是最节约投资的方式,国外较普遍采用。但这种方式需要预热管道,增加预热设备,且工期较长,适于较小的区域使用。在城市供热工程中,管槽长期敞开,影响交通,不太适用。
    近年,对无补偿直埋敷设发展了安全分析理论,它不进行管道预热,适用于低温热水系统,证明低温直埋管道的直线段,完全可以不设补偿装置。
2.2  有补偿直埋敷设
    当管道温度过高或难以找到热源预热或不适于大面积敞开预热时,则可采用有补偿直埋方式。有补偿方式可分两种:有固定点方式和无固定点方式。
2.2.1  有固定点方式
    在补偿器两侧设置固定点,补偿器到固定点的间距不得超过管道最大安装长度,固定点所承受的推力为土壤对管道的摩擦力。设计时应考虑到由于土壤条件变化而造成的摩擦系数的变化,管线埋深的变化对位移的影响。施工时,也要特别注意确保设计计算的热膨胀位移在运行时能够实现,在管网中采用固定支架来控制膨胀位移。
2.2.2  无固定点方式
    对于无固定点有补偿的敷设,首先应在管网平面布置及纵剖面图上校核两个直管段是否超过最大安装长度Lmax的2 倍。如果L ≤2 Lmax ,则需校核直管段两自由末端的自然弯管是否能吸收掉直管段的实际热伸长量;如果直管段长度L > 2 Lmax ,则还需在L 管段上设置补偿器,直到所有不带任何补偿器的直管段长度均不超过2 Lmax为止。
    有补偿直埋敷设可以及时回填管槽,且运行安全,因此被广泛应用于高温热水管网的地下敷设。
    采用有补偿直埋敷设的方法,宜选用“L”形、“乙”形、方形补偿器,并在这些补偿器部位做局部管沟;也可选用波纹补偿器、套管补偿器,将其设置于检查井内,以便于检修。
3  保温直埋管道设计计算
3.1  土壤摩擦力Pm 的计算
    Pm =πDL Fm
    Fm = 918μρh
    式中D ———管道外套管直径,m;
    L ———管道长度,m;
    Fm ———单位面积的摩擦力,N/ m2 ;
    μ———摩擦系数;
    ρ———土壤的密度,kg/ m3 ;
    h ———管道中心的埋设深度,m。
3.2  弹性力Pt 的计算
公式
    式中δD ———管道预热产生的轴向热应力,N/ mm2 ;

    F ———管壁截面积,mm2 ;
    α———按预热温度选取的管材膨胀系数,mm/(m·℃) ;
    Δt ———管道预热温度与预热前温度差, ℃;
    Dw ———钢管外径,mm;
    Dn ———钢管内径,mm;
    E ———材料的弹性模量, N/ cm2 。
3.3  两补偿器最大间距的计算
    根据摩擦力要小于弹性力的原则,则两补偿器最大间距按式(4) 计算: 
公式
3.4  最大安装长度计算
    直埋管道受热膨胀伸长,由于外壳管与砂层之间的摩擦力约束,因而在管道断面上产生了轴向应力。在自由补偿端处轴向应力为零,在固定点处轴向应力为最大值。设固定点处距自由端的距离为L ,则轴向力P 可按式(5) 计算:
    P = πDL Fm = δαxA (5)
    式中δαx ———管道断面上的轴向应力,N/ cm2 ;
    A ———管的截面积,cm2 ;
    D ———外壳管的外径,m。
    其他符号同前。
    丹麦有关规范规定:在120 ℃时钢管的屈服应力为2 400 N/ cm2 ,在20 ℃时为26 000 N/ cm2 ,而采用的允许应力[δ] = 1 300 N/ cm2 。若将此值代入式(4) 即可求出允许应力范围内的最大安装长度,亦即从自由补偿端到固定点之间的最大距离,见表1。
表1
    表1  最大安装长度
3.5  管道纵向稳定最小覆土深度H
    直埋管道在运行时处于轴向压缩状态,如同一根又细又长的压杆,其稳定是靠上部覆土维持的。因此,在直埋管道上部要保持一定的覆土深度。作用在直埋管道上的轴向力P 按式(6) 计算:
    P = 3.9711C2 q4 F2 E5 J3
    式中P ———作用在管道上的轴向力,N;
    K ———安全系数,取115 ;
    q ———为防止纵向失稳所必须保持的垂直荷载(管道自重+ 上部土重) ,kg/ cm;
    C ———与土壤情况有关的参数,取C = 013 q ;
    J ———惯性矩,cm4 ;
    G ———管道的自重,kg/ cm。
    其他符号同前。
    根据上述公式计算的H 见表2。
表2  直埋保温管道最小覆土深度H
    表2  直埋保温管道最小覆土深度H
    从表2 可以看出,计算结果H 不大。工程实践所采用覆土深度一般为60~150 cm。
4  直埋保温管道设计及施工要点
    (1) 直埋管道适用于输送热水、冷水、低压蒸汽等液体和气体,广泛应用于热力管网、制冷、市政建设等工程。
    (2) 直埋管道的埋设深度,根据计算,当覆土深度为015 m 时,其承载能力可保证载重10 t 卡车安全通过,但一般直埋管道应埋设在当地的冰冻线以下。
    (3) 直埋管道的沟槽开挖尺寸,可按图1 确定。
图1  直埋管沟槽开挖尺寸示意

    图1  直埋管沟槽开挖尺寸示意
    (4) 所有安装补偿器和阀门的检查井都要求防水,严防地下水渗入。
    (5) 直埋管道穿过公路、道路时,应加套管或做成管沟,管沟上面铺盖钢筋混凝土盖板。
    (6) 管与管之间采用焊接,管与阀门之间、管与补偿器之间采用法兰连接。
    (7) 当安装直埋保温管时,其管接口处、管与阀门、补偿器连接处,均须在现场作氰聚塑保温结构。操作时周围环境温度应保持在10 ℃以上,最低温度不低于5 ℃。
5  工程实例
    笔者前不久设计的河北省电力局富强电力新村工程室外综合管线中,热水及空调冷热水管即采用直埋敷设技术,考虑价格因素采用氰聚塑保温管。
    富强电力新村综合管线设计中,各专业管系繁多,路由十分紧张,保温管道直埋敷设要尽量节省空间。生活热水系统属低温热水系统,运行温度65 ℃,最低限制温度10 ℃。采用无补偿不预热直埋敷设,既能达到安全要求,又节省了空间,便于施工。
    暖通专业将空调冷热水管(运行温度60~5 ℃)设计为无固定点有补偿直埋方式,选用了波纹补偿器,其检查井占地很大。笔者认为,该系统属低温热水系统,由于其管径较大,可采用无补偿预热直埋方式,预热温度取3215 ℃,在夏季施工时,可自然达到。施工时,只需控制施工季节,不需设置补偿器及检查井,以便各专业布置管道更方便、合理。