摘 要

摘　要：结合工程实例，对DN l000mm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：

摘　要：结合工程实例，对DN l000mm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

Key Design Contents of River Crossing of Large Diameter Directly Buried Heating Pipeline

Abstract：Combined with all engineering exampie，the key design contents of river crossing of DN l000mm directly buried hot water heating pipeline are discussed．The contents involve the selection of installation mode．construction scheme，wall thickness calculation of work steel pipe，anti-floating checking，strength checking of directly buried elbow and so on．

Keywords：heating pipeline；river crossing；prestressed installation；anti-floating checking；directly buried elbow

 

1　工程概况

某供热管网工程设计压力为l.6MPa，设汁供、回水温度为130、70℃，管径为DN l000mm预制直埋保温管(工作钢管材质为Q2358，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^[1-2]。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。

 

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300mm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；凹填300mm厚细砂；细砂上回填300mm厚碎石；为保证供热管道在汛期安全稳定，将厚度为500mm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。

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。若钩底土质以淤泥居多，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3.6m，背冲刷面的镀锌钢丝石笼网比管沟边缘长3m。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l00～200mm。

③工作钢管壁厚计算

根据CJJ／T 8l—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dC的计算式为：

 

式中dC——满足内压要求的计算壁厚，mm

dt——工作钢管的理论计算壁厚，mm

dadd——工作钢管壁厚附加值，mm

pD——设计压力，MPa，为l.6MPa

Do——工作钢管外直径，mm，为l020mm

sall——钢材在计算温度(130℃)下的基本许用应力，MPa，Q2358钢材在20～200℃下的基本许用应力为l25MPa

j——基本许用应力修正系数，取1.0

c——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dC为7.8mm，即工作钢管的取用壁厚不得小于7.8mm。为确保过河管道的安全，工作钢管的壁厚取13mm。

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：

WP+Ws≥F              (4)

式中WP——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

Ws——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：

 

式中r——水的密度，kg／m³

g——重力加速度，m／s²，取9.8m／s²

do——预制直埋保温管PE管外直径，m，取1.155m

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l0263 N／m。

单位长度预制直埋保温管自身结构重量Wp的计算式为：

 

式中Wsum——单位长度预制直埋保温管总重量(含管内供热介质)，N／m，取l0402N／m

Ww——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0.994m

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2801N／m。

单位长度预制直埋保温管管顶覆土重量Ws的计算式为：

Ws＝rsghb　　              　    (8)

式中rs——覆土密度，kg／m³，取1800 kg／m³

h——覆土深度，m，取2m

b——覆土宽度，m，取l.155m

由式(8)计算得，单位长度预制直埋保温管管顶覆土重量为40748N／m。由式(4)可知，设计满足抗浮验算判定条件。

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：

 

式中sbt——弯头在弯矩作用下最大环向应力变化幅度，MPa

spt——弯头在内压作用下弯头顶(底)部的环向应力，MPa

bb——弯头平面弯曲环向应力加强系数，取值见表1

M——弯头的弯矩变化范围，N·m，计算方法参考CJJ／T 81—98

Rbo——弯头的外半径，m

Ib——弯头横截面的惯性矩，m⁴

l——弯头的尺寸系数，取值见表l

RC——弯头的计算曲率半径，m

db——弯头的壁厚，m，取0.01375m

Rbm——弯头横截面的平均半径，m

Rbi——弯头的内半径，m

 

当弯头的计算曲率半径RC分别取6、10、15、20m时，由式(9)～(17)得到的弯头强度验算结果见表2.充分考虑安全余量，弯头的曲率半径宜选取20m。

 

3　结语

对于大管径供热管道穿越河道工程，应根据不同安装方式的具体特点进行科学计算，严谨设计，实现供热管道的安全运行。

 

参考文献：

[1]王飞，张建伟.直埋供热管道工程设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2007：100-105.

[2]臧洪泉，李晓恭，崔凯，等.穿越河流的热水供热管道设计计算[J].煤气与热力，2013，33(4)：A18-A20.

 

本文作者：李毅

作者单位：太原市市政工程设计研究院