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1、1 集中供热直埋管网中热力管道的补偿器驻点漂移问题的分析近年来，北京市市政集中供热直埋管网中的补偿器在运行时出现了几个相似问题：受压吸收热伸长的波纹管补偿器没有压缩，反而被拉伸， 严重威胁到了管网的安全运行。 为了防止供热管道升温时， 由于热伸长或温度应力而引起管道变形或破坏， 需要在管道上设置补偿器， 以补偿管道的热伸长， 从而减小管壁的应力和作用在阀件或支架结构上的作用力。补偿器在起到保证管道安全运行作用的同时，也成为了管网中薄弱的环节，如设置不当反而成为安全隐患。本文针对近期北京市热力管网在运行中出现的一些类似问题进行了有意义的探讨。- 北京市热力工程设计公司宋盛华1. 问题的提出出现问
2、题的管道布置如图1纵断面图，下同所示：管道在检查室1 中有一段垂直立管采用直埋敷设方式时水平横管一般不设检查室而作为自然补充器使用，故不会产生问题，有时为了增大立管的补偿量，还会在立管上设置横向补偿器，管道通过弯头变向出检查室之后，敷设方式为直埋； 距检查室 1 一定距离的位置在特定的条件下需要设置检查室2，并在其中设置轴向型补偿器。特定的条件如：当直埋段管道较长且检查室1 中补偿器无法满足补偿要求时； 设置直埋平行分支位移不满足要求时等。为了补偿大的热伸长时， 要求在检查室 2 中设置两组轴向型补偿器， 就还要求在 2 中安装固定支架 还有其它一些情况也要求安装固定支架 。北京市集中供热直埋
3、管网中存在一些类似的布置情况，经过一些年的运行后，前几年就陆续发现检查室2 中的轴向型波纹管可能没有受压发挥补偿器的作用，反而受拉，引发安全隐患。对于直埋敷设的热力管道， 局部高程落差很大， 需要利用翻身来解决高程问题时，由于没有相应的标准， 翻身处一般不采用直埋的敷设方式，而是在该处设置检查室，同时如果立管高度足够， 还可以在立管上设置横向补偿器以增大补偿能力。本文中检查室1 就属于此类情况。2. 问题的分析在检查室 2 中设置波纹管的目的是为了吸收直埋管道由于热伸长或温度应力引起的变形。假设波纹管没有被压，反而被拉，不但违背原有目的，而且构成了极大隐患。在本节中，将从管道安装开始，把升温一
4、次、降温一次作为一个循环进行分析。2.1 管道安装完毕进行打压试验时的受力分析由于没有热伸长，此时只有P0A 波纹管为柔性连接，只要长度为L 的直埋管段的静摩擦力大于1.25P0A，整个管道就能处于稳定状态，即：0A?燮 F1F=g H+Dc/2DcL 22.2 当管道开始供热时的受力分析受力情况如图 2图中黑色实心三角表示驻点，下同。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 5 页2 整个管段到达平衡之后， 根据力平衡的基本原理， 有 在直埋敷设的情况下，检查室内弯头由于吸收热伸长而产生的弹性力远小于摩擦力，故在工程计算中忽略：
5、P0A+Fk2+F 2=F1 3F=g H+Dc/2DcL 4L=L1+L25可以得到：L1=6Y=g 7L2=L-L18此时长度为 L 的直埋管段驻点为1 点。2.3 当管道由热态转换为冷态时的受力分析受力情况如图 3。整个管段到达平衡之后，根据力平衡的基本原理，有：Fk2+F2=Fk1+F 19F=g H+Dc/2DcL 10L=L3-L411由于冷态时波纹管的弹性力为安装温度和运行终温之差一般为20产生的，此时的弹性力很小，可以忽略不计。因此可以得到：L3=12Y=g 13L4=L-L314此时长度为 L 的直埋管段驻点为2 点。由此得出：L5=15由以上分析可知， 在热态和冷态转换的过
6、程中管道的驻点移动了，同时就影响到了管道由于下次受热产生的伸长量的复原。从以上分析可以看出， 管道在经过一个循环后， 驻点确实移动了， 但在工程实际中直埋段可能存在锚固，因此还需要从以下两个方面进行具体分析。1假设长度为 L 的直埋管道不存在锚固段，由以上分析可知：管道经过热态冷态热态的循环，由于驻点的漂移，整个管道就向立管方向移动了LLH=L5 L 为直埋管道每米热伸长。如此反复，管道会逐渐向检查室1 方向移动，导致轴向型波纹管被拉坏。2假设长度为 L 的直埋管道存在锚固段，存在以下两种情况：a. 热态时锚固段和冷态时锚固段不存在重合。此时，检查室 2 中补偿器形成的摩擦长度为：LF，b，H
7、= 16检查室 1 中弯头形成的摩擦长度为：LF，C，H=-Z17精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 5 页3 Z=18Cm= 19J=20当整个管段由热态转入冷态时，PS为零，则补偿器形成的摩擦长度和弯头形成的摩擦长度相应变为：LF，C ，C= 21LF，b，C= -Z22由以上公式可得， LF，C变长， LF，b 变短，即整个锚固段向立管方向移动了，且锚固段的长度有变化，变化长度为：LA= -23随着锚固段的移动，将会出现同本节中“1”一样的情况，最后有可能破坏补偿器。b. 热态时锚固段和冷态时锚固段存在重合。此时，由于
8、整个管段在热态和冷态的工况下， 始终都有一段处于锚固的状态，使得整个管段都不会存在移动，因此对于整个系统来说是安全的。3. 问题的解决有了以上的分析，下面就针对此种问题提出一种解决方案。3.1 如果整个管段存在移动就必须在弯头和补偿器之间加做固定支架。对于“2.3”中第一种情况肯定需要加做固定支架；对于“2.3”中第二种情况需要先判断热态时锚固段和冷态时锚固段是否存在重合， 判断依据为 如图 4 所示，上部为热态， 下部为冷态 ：L3+L5L1 或 L2+L5L4即有： L-Z+243.2 对于需要加做固定支架的情况为了使得固定支架的推力最小， 需要在两个检查室之间找出考虑热态和冷态两种情况下
9、推力最小点，该点在1和 2驻点之间。现假设该点为3节点，距 1节点为 L6，距 2节点为 L7=L5-L6；同时假设热态时该点推力为F 热，冷态时该点推力为 F 冷。当 F热F 冷时，固定支架推力最小，故有：F热F 冷，F热=YH+Dc/2DcL2+L6+P0A+Fk2- YH+Dc/2DcL1-L625F冷=YH+Dc/2DcL3+L7-YH+Dc/2DcL4-L726L7=L5-L627可得： L6=28由此可以得出该点固定支架在热态和冷态时的推力。3.3 其它影响因素实际运行条件下， 摩擦长度随着运行次数而变化， 原来处于锚固段的管段在运行多次后可能变为滑动段。精选学习资料 - - -
10、- - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 5 页4 一般来说，摩擦系数变化范围为0.2 0.4 。由于在整个计算过程中都包含有摩擦系数，因此在确定该固定支架时必须考虑该系数变化带来的影响驻点、摩擦长度，应当计算摩擦系数为0.2 和 0.4 时，该固定支架的推力，取大值。在工程实际当中诸多不确定因素施工、土质、材料等，也会导致“1.问题的提出”中提到的现象的发生。直埋管回填前应先清槽， 合格后对管道焊缝发泡保温，然后填土，砂的粒径为0.5 2mm ，砂中不应有尖角颗粒，回填土中清除块状及树枝等杂质， 胸腔回填时要求两侧同时投填，以防管道中心偏移， 且要求分层
11、夯实，人工夯实每层200250mm ，机械夯实每层250300mm 。在这个过程中如果处理不当，存在以下两个隐患：1关于直埋保温管：保温管在运输或施工时外壳、保温层被破坏，以及对管道焊缝处进行发泡处理时密封不好等，都会导致水渗透到保温层内部降低钢管和保温层之间的附着力，严重时钢管和保温层呈现滑动状态。2关于直埋管回填：不按规定回填将降低保温管和土壤的摩擦力，特别是地沟敷设改直埋敷设时，如果不废除原有盖板进行充分回填会极大降低摩擦系数，增加整个管段失稳的风险。4. 工程实例基于以上分析及结论， 现以管径为 DN500的工程实例进行方案比较。 工程基本参数如下：设计压力：1.6MPa ；设计温度：
12、 150/90 ；安装温度： 10；循环终温： 30；L250米，管顶覆土深度1.5 米。4.1 传统方案在实际工程中我们遇到这类情况时，最初的解决方案是在是在管道的中间本例为距离 1检查室 125米处设置固定支架，本文将之称为传统方案。此时固定支架的推力计算如下：Fx1=Y H+Dc/2DcL2+P0A+Fk2 -YH+Dc/2DcL129L1=L230可得： Fx1P0A+Fk2=33.6 5.6 39.2 吨4.2 本文所述方案经过计算可得不同摩擦系数下固定支架最小推力及其位置：当 0.4 时最大， Fx2=19.6 吨，L1128.8 米当 0.2 时最小， Fx3=19.6 吨，L1
13、132.4 米L1：固定支架距 1 号检查室的距离， m 基于上述计算结果， 经过迭代计算， 可以得到最为经济且安全的固定支架安装位置： L1 130米，Fx427 吨该推力出现在摩擦系数最大冷态和摩擦系数最小热态两种临界条件下。4.3 两种方案主要指标比较可以看出，采用本文算法之后， 随着固定支架推力的下降， 固定支墩明显缩小，经济效益显著。固定支墩的缩小同时减小了占地面积，更有利于热力管道在城市道路下的敷设。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 5 页5 符号：T0管道安装温度，T1管道运行温度，T2管道停运温度，P0A
14、管道内压力， N F管道摩擦力， N 土壤密度， kg/m3 管道与土壤之间的摩擦系数H 管道埋深， m Dc预制保温管外壳的外径，m Fk弹性力， N E钢管的弹性模量， Pa A钢管的横截面积， m2 钢管的线性膨胀系数，m/m?C0 伯桑系数，对桑Q235号 35 号钢 3 h环向拉应力， Pa Aj 补偿器的有效面积，m2 Ps计算压力， Pa F单位长度的轴向摩擦力，N/m A0弯臂上钢管的流通面积，m2 弯头的转角系数， rad K柔性系数弯管的尺寸系数R 弯头的弯曲半径， m rp弯头处的钢管平均半径，m I 弯头处的钢管的惯性矩，m4 直管钢管臂厚， m 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 5 页