摘 要

摘　要：对架空供热管道的设计要点进行探讨，包括：管道净高、保温材料选择、保护层设计、补偿器选择、旋转补偿器旋转臂最小长度及最佳安装角、活动支架允许间距、滑板长度设计。

摘　要：对架空供热管道的设计要点进行探讨，包括：管道净高、保温材料选择、保护层设计、补偿器选择、旋转补偿器旋转臂最小长度及最佳安装角、活动支架允许间距、滑板长度设计。

关键词：架空敷设；  供热管道；  设计要点

Key Design Points of Overhead Heat-supply Pipeline

Abstract：The key design points of overhead heat-supply pipeline are discussed．These points inelude clear height of pipeline，selection of thermal insulation material，design of protective layer，choice of compensator，design of minimum length and optimal installation angle of rotating arm of rotating compensator，design of permissible distance between movable supports and design of length of sliding plate．

Keywords：overhead installation；heat-supply pipeline；key design points

 

与直埋供热管道相比，架空供热管道的应力验算比较简单，在保温计算与水力计算方面也没有太大差别，但目前在架空供热管道的设计上存在诸多问题。本文对架空供热管道的设计要点进行探讨。

1　净高

1.1　不影响交通地区

CJJ／T 55—2011《供热术语标准》分别对低支架、中支架、高支架供热管道保温结构底面距地面净高(以下简称净高)进行了说明，低支架为小于2m，中支架为大于等于2m、小于4m，高支架为4m及以上。

我国现行的CJJ 34—2010《城镇供热管网设计规范》第8．2．12条指出：在不影响交通的地区，应采用低支架，管道保温结构下表面距地面的净距不应小于0.3m。至于为何尽可能采用低支架，在条文解释中未作出说明。我们的理解是：低支架的建设成本低，施工、维修方便，便于运行管理。基于这样的理解，加之CJJ 34—2010也未作过多限定，因此我国多采用低支架的安装方式。事实上，在实际运行管理中，低支架供热管道存在的问题远比中高支架多，主要表现在以下几个方面。

①安全问题。供热管道属于较高温度管道，架空供热管道避免不了有阀门法兰、排水阀、疏水装置、补偿器等高温面的裸露，这些高温裸露面易造成人员烫伤。因此，低支架供热管道存在安全隐患。

②容易损坏。由于低支架供热管道在人易触及的高度上，因此保护层及保温层容易被人为损坏。若保护层耐火性差，管道周围易燃物着火极易将保护层烧坏，需定期清理低支架供热管道周围的杂草及其他易燃物。

③影响人畜无规则通行。实际上，低支架供热管道易造成人畜踩管翻越，在将保护层、保温层踩坏的同时，还存在烫伤的危险。

④影响土地有效利用。低支架敷设区域的土地基本被彻底占用，得不到有效利用。

综上所述，建议CJJ 34—2010的第8．2．12条改为：在不影响交通的地区，宜采用中支架。并将中支架净高下限提高至大于等于2.5m，这是由于2m高度仍然在人体可触及范围内。

1．2　公路路面

CJJ 34—2010表8．2．11-2要求：架空供热管道与公路路面的最小垂直净距为4.5m。我国现行的JTJ B01—2003((公路工程技术标准》在对公路设计所采用的设计车辆外廓尺寸的规定中要求：车辆总高度限定在4m以内。由此可知，架空供热管道与车辆的安全距离为0.5m，理论上可以接受。然而，0.5m的安全距离在实践中却存在问题。

为获取较高收益，有不少大型货车存在超高情况，而且屡禁不止。很多大型货车的装货高度超过4m，轻易就达到了4.5m，导致架空供热管道被大型货车撞坏的情况时有发生。根据我们的经验，公路路面上的架空供热管道净高至少应达到5m，安全才会得到保障。JTJ B01—2003第2．0．7条第4款规定：一条公路应采用同一净高，高速公路、一级公路二级公路的净高应为5.0m，三级公路、四级公路的净高应为4.5m。因此，公路路面上的架空供热管道净高至少要达到5m。

2　保温材料及保护层

保温材料及保护层设计不合理，易造成架空供热管道造价高及维修量大。如有些架空高温热水供热管道采用聚氨酯泡沫塑料作为保温材料，在保温效果与玻璃棉相同情况下，整体造价要高出很多。过去常用的油毡加两布三油形式保护层，其抗老化能力差，一般2～3a就需要维修一次。因此，保温材料及保护层也应作为架空供热管道的设计重点。

2.1　保温材料的选择

对于低支架供热管道，宜采用硬质保温材料。这是由于低支架敷设容易出现人在管道上行走的情况，硬质保温材料抗压强度高，不易被踩坏。目前，强度较高、价格合理且有一定韧性的硬质保温材料为微孔硅酸钙。

对于中高支架供热管道，宜采用玻璃棉作为保温材料，这是由于玻璃棉重量轻、弹性好、耐水性好、价格合理。玻璃棉之外的其他保温材料，如岩棉，与玻璃棉相比，弹性与耐水性差，使用一段时间后，易形成上部变薄，下部出现空隙的情况，总体保温性能下降。

2.2　保护层的设计

对于低支架供热管道，当采用硬质保温材料时，保护层应该配套使用钢丝网加石棉绒水泥形式，石棉绒水泥耐踩踏、耐老化。

对于中高支架供热管道，当采用轻质保温材料时，保护层宜采用镀锌钢板或彩钢板，厚度为0.3～0.8mm。这是由于镀锌钢板、彩钢板的抗老化能力强，虽然造价较高，但使用寿命长，总体效益好。保护层内宜增设l层0.1mm厚的塑料布，以免降水从保护层缝隙侵入保温层。

3　补偿器

3.1　补偿器的选择

补偿器的种类很多，包括方形补偿器、套筒补偿器、球型补偿器、波纹管补偿器、旋转补偿器等^[1-6]。套筒补偿器又分为普通套筒补偿器、无推力套筒补偿器；波纹管补偿器又分为内压型、外压型、铰链型、压力平衡型、横向大拉杆型等；旋转补偿器种类虽然单一，但具有较灵活多样的布置方式。

由于补偿器的种类多，很多设计者对于架空供热管道补偿器的选取无从下手。目前，突出的问题是在架空供热管道上采用了无推力套筒补偿器、压力平衡型波纹管补偿器。在理论上，这两种补偿器可抵消管道内压(即管道内流体压力)对固定支架产生的推力。但当无推力套筒补偿器伸缩时的摩擦力较大时，易出现管道将固定支架推动了，补偿器还未能伸缩的情况^[7]。压力平衡型波纹管补偿器较大的弹性力易将固定支架推坏。这两种补偿器的造价都比较高，且无推力套筒补偿器的摩擦面多，易泄漏。

有不少架空供热管道选择了普通套筒补偿器、外压型波纹管补偿器，虽然在理论分析上比较合理，但不是最优选择。这两种补偿器用于架空供热管道时，管道内压对固定支架产生的推力F的计算式为：

F=Ap    　　　　　　　(1)

式中F——管道内压对固定支架产生的推力，N

A——补偿器的有效面积，m²

p——管道内压，Pa

例如规格为Øl020 X 12的供热管道，设计压力为1.6MPa，强度试验压力(为设计压力的1.5倍)为2.4MPa，采用外压型波纹管补偿器，补偿器的有效面积为0.967m²。由式(1)可计算得到，强度试验时管道内压对固定支架产生的推力达到2.32MN。这使得固定支架的工程造价大幅提高，特别是中高支架。

综合以上分析，架空供热管道补偿器适宜选择旋转补偿器、球型补偿器、铰链型波纹管补偿器、横向大拉杆波纹管补偿器。补偿器是比较薄弱的装置，宜选择比供热管道设计压力高一个压力等级的补偿器。若选用波纹管补偿器，高一个压力等级，造价将高出许多。此外，波纹管补偿器易受到腐蚀发生泄漏，且不能维修。因此，宜选择旋转补偿器、球型补偿器。与球型补偿器相比，旋转补偿器的价格低，不易泄漏，更安全可靠。综上所述，对于架空供热管道，旋转补偿器是最优选择。

对于方形补偿器，一般而言，管径较小的供热管道采用具有一定的优势，而管径较大的供热管道不宜采用，这是由于管径较大的方形补偿器占地面积大、造价高。我们认为，除特殊情况外，DN200mm及以上管径的供热管道不宜采用方形补偿器。

3.2　旋转补偿器

在理论上以及厂家说明书上并没有限制旋转补偿器转角，但实际上，旋转补偿器的转角(安装角的2倍)不宜过大，应限制在40°以内，否则会带来两个问题：一是造成管道摆动过大，二是易造成补偿器转角过大导致泄漏。旋转补偿器布置在两个固定支架中间位置时的工作原理见图l。为补偿管道的热伸长量，又不使得旋转补偿器出现较大的转角和摆动，需限定旋转臂最小长度及最佳安装角。

 

旋转臂最小长度Lmin的计算式为：

 

式中Lmin——旋转臂最小长度，m

DL——管道的热伸长量，m

最佳安装角q的计算式为：

 

式中q——最佳安装角，rad

L——旋转臂实际长度(应大于等于Lmin)，m

4　活动支架允许间距

4.1　长直管道活动支架

CJJ 34—2010没有给出架空供热管道活动支架允许间距的详细计算方法，也没有要求在计算活动支架允许间距时考虑刚度条件。在计算活动支架允许间距时，可参照DLT 5366—2006((火力发电厂汽水管道应力计算技术规程》的相关规定，仅考虑强度条件，这是由于刚度条件取充水的架空供热管道最大重力荷载按最大挠度小于管径的10％计算，按强度条件校核的活动支架允许间距仍满足刚度条件^[8]。

关于按强度条件确定活动支架允许间距的计算，一些文献给出了不同的计算方法。文献[9]给出的计算式为：

 

式中Lmax——活动支架的允许间距，m

sw——管材的许用外载综合应力，MPa，按文献[9]附录l4-4确定

W——管子断面抗弯矩，cm³，按文献[9]附录14-2确定

j——管子横向焊缝系数，按文献[9]附录14-2确定

G——外载作用下管子单位长度的计算重量，N／m

而文献[10]给出的计算式为：

 

式中sall——管材在计算温度下的许用应力，MPa

式(2)、(3)都不是参照DLT 5366—2006推导出来的计算式，笔者参照DLT 5366—2006推导出来的较准确计算式为^[8]：

 

式中Do——管子外直径，mm

Di——管子内直径，mm

Pd——设计压力，MPa

4.2　转角附近活动支架

转角附近活动支架的最大允许间距为长直架空供热管道活动支架最大允许间距的81．6％，在实际工程中，可圆整为80％^[11]。

5　滑板

与活动支架滑托接触的滑板见图2。滑托是静止的，滑板与管道焊接在一起，滑板随管道的热胀冷缩一起运动。对于旋转补偿器设置在靠近一侧固定支架的管段(见图3)，每个活动支架处管道的热伸长量、冷收缩量均不一致，越接近旋转补偿器的管道两种位移量越大，这使得每个活动支架处的滑板设计长度均不同。由于滑板越短，造价越低，热损失越小，因此在满足管道位移量的前提下(即不使得滑板脱离滑托)，滑板越短越好。

 

 

用于满足管道热伸长量的滑板长度L1的计算式为：

L1＝1.1aDtLg

式中L1——用于满足管道热伸长量的滑板长度，m

a——管材的线胀系数，K^-1

Dt——管道工作循环最高温度与管道计算安装温度之差，℃

Lg——滑板所在活动支架位置至固定支架A的距离，m

用于满足管道冷收缩量的滑板长度L2的计算式为：

L2＝1.1aDtdLg

式中L2——用于满足管道冷收缩量的滑板长度，m

Dtd——管道计算安装温度与室外最低温度之差，℃

若L1、L2这两个关键数据未在施工图中明确给出，加之施工单位欠缺经验，往往造成滑板长度设置不合理，从而导致滑板脱落。特别是当L2过小时，若架空供热管道在夏季施工，到冬季正式运行前滑板就已经脱落。滑板脱落造成的后果往往是将支架推倒，非常严重。

 

参考文献：

[1]梁丰，高百争．旋转补偿器一些布置方法的几何性质[J]．区域供热，2010(4)：66-69．

[2]杜永红．套筒补偿器在热网的应用[J]．煤气与热力，2009，29(1)：A10-Al2．

[3]郭平．旋转补偿器在热力管道上的应用[J]．煤气与热力，2009，29(5)：Al3-Al6．

[4]苏红乡，张敬亭，张延杰．铰链波纹管补偿器在架空供热管道的应用[J]．煤气与热力，2010，30(1)：Al2-Al5．

[5]王强．轴向型波纹管补偿器在架空热力管网的应用[J]．煤气与热力，1996，16(3)：70-72．

[6]张俊红，韩飞．球形补偿器在过热蒸汽管道上的应用分析[J]．煤气与热力，1998，18(1)：61-64．

[7]邓曾禄．套筒补偿器摩擦力的求法[J]．管道技术与设备，1999(4)：5-7．

[8]高百争．按强度条件确定供热管道活动支架的允许间距[J]．区域供热，2010(3)：4-9．

[9]贺平，孙刚．供热工程[M]．3版．北京：中国建筑工业出版社，1993．

[10]李善化，康慧．实用集中供热手册[M]．北京：中国电力出版社，2007．

[11]梁丰，高百争．架空供热管道转角附近活动支架的允许间距[J]．煤气与热力，2010，30(8)：A22-A24．

 

本文作者：张羡洲  高百争

作者单位：中国平煤神马集团阳光物业有限公司