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1、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
2、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DN10
3、00。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
4、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
5、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
6、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
7、 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
8、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
9、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
10、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，
11、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
12、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=g(h+Dw2)Dw+G式中：F轴线方向每1 m管道的摩擦力，Nm； 外管壳与土壤的摩擦系数； 土壤密度，一般砂土取1800kgm3； 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60228Nm。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
13、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-）t-E(t2-t1)3则认为管道的参数的选取是合适的。式中：钢材的泊松系数，取0.3 t2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 x104Mpa 线性膨胀系数，取11.74x10-6m/m t管道内压引起的环向应力，MPat=PdDi/2 式中：Pd管道计算压力，取1.6Mpa Di钢管内径（1120x14）=1.092m 钢管公称壁厚0.014m由此算得t=1.6 x1.092/（2x0.014）=62.4 MPa（1.25-0.3
14、）x62.4-11.74x10-6x19.6 x104 x（10-130）=335.4MPa3 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
15、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。（3） 疲劳破坏通常在弯头、大小头及三通等管件处易产生应力集中。在温度和压力变化过程中，应力集中引起的峰值应力只在很小的局部范围内产生循环塑性变形。首先是由于该区域是被弹性区域包围的，不会引起爆裂或断裂；其次是塑性变形时，钢材的损伤作用使管道经历了一定的运行周期后，产生疲劳破坏。峰值应力的变化越大，疲劳破坏所产生的周期就越短。2.2.2 稳定失效当热力管道处于受压状态时
16、，可能出现3种失稳破坏。（1） 整体失稳。从整个管线看，管道属于杆件。当热胀变形不能完全释放时，运行工况下的轴向压力最大，由于压杆效应，可能引起管线的整体失稳。（2） 椭圆化变形。横断面上的土壤荷载和交通荷载也会使管道界面产生椭圆化变形，过大的椭圆化变形也会使管道产生破坏。（3） 局部失稳。从管道局部看，管道属于薄壳体。在轴向应力的作用下，管道可能出现局部皱结，引起局部失稳。2.3 设计难点2006年我院开展对设计。该工程供热主干线为DN1100，其设计参数为供水130/回水70，设计压力1.6MPa。该供热管道拟采用无补偿冷安装技术，即全线没有设置补偿器及固定支架。该工程技术难点在于：2.3
17、.1 输送距离长供热主干线单程长度为6.8km。2.3.2 地势复杂供热主干线沿程高差约20m，途经垃圾场、排洪沟（约20m宽）、河槽（约56m宽）2.3.3 用户多供热主干线沿程用户较多，因此增加了管系折点、三通、异径管、弯头的数量，增加了整个管系的受力薄弱点。2.3.4 阀门多由于供热主干线单程长度为6.8km，按照城市热力网设计规范，主干线应装分段阀门；另外供热主干线沿程支干线较多也增加了支干线阀门的数量。解决阀门的泄露问题也是本设计的难点之一。2.4 直埋无补偿冷安装在设计及施工中的关键点及技术突破和创新针对上述技术难点，我院从如下几点来解决并实现技术突破和创新。2.4.1 管线铺设方
18、法的革新针对市区地下障碍物较多，地下敷设的管道易产生折角的现象，在管道布置中将大折角分解为几个小角度（1）折角进行敷设。对于相距较近的折角，由于将其分解为小折角会很困难，则采用大弯曲半径的弯管来代替大折角，可以将应力分散，从而避免了折角处由于预应力集中而产生低循环疲劳破坏或局部失稳破坏。2.4.2 增大直埋管道敷设深度产生管道径向变形的原因是管道上作用的垂直荷载，包括土壤荷载和车辆荷载。土壤荷载随着管道的埋深增加而加大，车辆荷载则随管道的埋深增加而减小。同样，径向变形的大小也与管道的截面参数有关，在相同的垂直荷载作用下，钢管平均半径越大，径向变形越大，管壁越厚，径向变形越小。因此增大直埋管道敷
19、设深度即增大管道覆土深度可以有效地减少管道的径向变形。2.4.3 增大弯头壁厚及增大弯头弯曲半径弯头做为直埋供热管道的重要构件，既是过渡段热膨胀的自然补偿器，又是管道系统受保护的元件。当弯头侧壁较长，曲率半径较小，循环温差较大时，会招致峰值应力，发生低频次的循环塑性变形，在循环一定次数后发生疲劳破坏。为了增加弯头的强度，在设计中使用大弯曲半径的弯头，要求所有直埋管道大口径弯头的弯曲半径大于等于4.0DN，而且，弯头的壁厚比相同管径的直管管壁厚2mm。可以增加弯头的刚度，将应力分散，减少弯头的摩擦阻力，降低压降损失，同时使补偿能力最大化。2.4.4 管材强化技术的应用直埋无补偿冷安装供热管道在设
20、计中除按照规程进行强度设计外，同时还应采取相应的措施来避免出现整体失稳、局部失稳和椭圆化变形。（1） 采用管材整体式预制保温结构当钢管内热水的温度变化时，整个保温管将一起伸长或收缩，保温结构层间不能发生滑动；保温结构应具有传递剪切力的能力，钢管、保护层和外护层互相之间应有足够的粘结强度；保温管和外护层应具有足够的强度，能够抵抗土壤的压力，尤其在管道转弯及分支等变形部位土壤压力较大；保温管外护层必须具有良好的防水功能，现场接头施工必须保证封闭严密。一旦保温层进水，会造成钢管腐蚀和整体式保温结构的破坏；保温管抗老化性能应满足标准要求，在管网整个寿命期内应保证保温结构的各项技术指标；保温层应具有良好
21、的绝热性能，除满足管网热损失的要求外，还应满足外护层使用温度的要求。基于上述技术要求，东华供热管道采用高密度聚乙烯预制保温管及耐高温的聚氨酯保温材料。这种预制保温管是采用“一步法”在对高密度聚乙烯外护层进行了电晕处理、钢管外表面进行抛丸处理后，立即进入聚氨酯发泡工位，聚氨酯泡沫塑料与高密度聚乙烯在很短时间内亲合地粘结在一起，保证了工作钢管、聚氨脂泡沫塑料保温层和高密度聚乙烯外护管紧密地连接成一个“三位一体”的结构。当管道温度变化时，钢管的热胀冷缩变形可以通过保温层传到外护管，使外护管与周围回填土之间发生滑动，同时外护管上的土壤摩擦阻力又通过保温层限制钢管的热胀冷缩变形。（2） 管线三通加固技术
22、据相关研究所的测试结果为，材质为Q235-B的5298的等径焊接三通在内压P=1.4MPa时，仅能承受40KN轴向推力，而直埋管道有可能出现2500KN左右的轴向荷载。因此在本工程设计时，增大三通管壁厚，以提高三通总体强度。在三通支管上设置Z型弯来降低三通处的应力，Z型弯距主管的距离为1015m。（3） 提高管道阀门的等级应力集中通常也发生在分段阀门和支干线阀门上，为了提高阀门的强度，在设计中我们提出选用焊接阀门，并将阀门压力等级提高到2.5MPa，设计中使用三偏心双向硬密封焊接碟阀来保证整个管道没有因阀门而产生的漏点。2.4.5 焊接及检验措施由于大口径（DN1100）高参数（供水130/回
23、水70）无补偿冷安装集中供热技术的技术要求高，为确保工程质量，我们对全程管线焊接及检验提出以下要求：（1） 现场焊接应保证焊透，管径大于或等于DN400的钢管及管件焊接全部采用氩弧焊打底，并采用双面焊。（2） 要求对所有焊缝进行100%无损探伤。3 运行效果及经济效益3.1 运行效果包头市东河区集中供热改建工程在2007年的实际运行中供水温度已经达到了120，通过这一年的实际运行，供热效果达到了预期，老百姓也不会因往年的供热质量太差而苦恼了，维护了社会的稳定；实践证明通过该设计方式实施的供热管系是安全的、稳定的、可靠的，用户也比较满意。3.2 经济效益按照有补偿安装方式则需要设置补偿器约400
24、余个，直接投资约1300余万元；同时，减少了因设置补偿器而设置的钢筋混凝土人井近100个，固定支墩近90个，节约直接投资约900余万元；采用了无补偿冷安装技术，不仅减少了一次投资，又减少了管网出现事故的概率，减少了维护及检修工作，每年节省运行费用约35万元，减少了因设备检修而引发的社会矛盾，间接的维护了社会稳定，因此，不仅增加了经济效益，同时，也增加了社会效益。4 存在问题由于城镇直埋供热管道工程技术规程（CJJ/T81-98）并未涉及大口径高参数无补偿冷安装集中供热技术，因此，需要国家有关部门协调，修订城镇直埋供热管道工程技术规程，把管径增加到DN1000甚至更大，制定冷安装和预热安装的相应规程或规范，让设计行业有法可依，使设计更加规范。5 结论城市集中供热管道直埋敷设应优先采用无补偿敷设方式，减少补偿器和固定墩的设置，以减少管网的投资和出现事故的概率，避免预应力方式带来的工程投资和施工难度。无补偿冷安装敷设方式应采用先进的应力分析法，已得到国内外供热界的普遍承认，而且事实证明无补偿冷安装技术是完全可以保证供热管网安全、经济地运行。包头市东河区集中供热改建工程在20062007年度的实际运行中供水温度已经达到了120，通过这一年的实际运行，供热效果达到了预期，实践证明通过该设计方式实施的供热管系是安全的、稳定的、可靠的，应该进行推广。
