对城建标准/T 81—98摩擦系数相关条文的修订建议

摘 要

摘要：介绍了EN13941标准对直埋供热管道管线区摩擦层周围回填材料的技术要求及对应的摩擦系数，有别于我国现行标准CJJ/T 81—98《城镇直埋供热管道工程技术规程》的相关规
摘要：介绍了EN13941标准对直埋供热管道管线区摩擦层周围回填材料的技术要求及对应的摩擦系数，有别于我国现行标准CJJ/T 81—98《城镇直埋供热管道工程技术规程》的相关规定。我国近年来进行的相关试验结果也证明了EN13941标准的正确性，建议对CJJ/T 81—98的相关条文进行修订。
关键词：回填材料；级配；摩擦系数；直埋供热管道
Suggestions for Revising Related Clauses of Friction Coefficient in CJJ/T 81—98
LIANG Yabin
Abstract：The technical requirement and corresponding friction coefficient of backfill material around friction layer for directly buried heat-supply pipeline in EN 13941 are introduced.They are different from the relevant provisions of Chinese current standard Technical Specification for Directly Buried Heating Pipeline Engineering in City(CJJ/T 81—98).The correctness of EN 13941 has been proved by the experimental results carried out in China.It is suggested that the related clauses in CJJ/T 81—98 should be revised.
Key words：backfill material；gradation；friction coefficient；directly buried heat-supply pipeline
1 回填材料的选择
    直埋供热管道管线区摩擦层周围回填砂与回填土比较，回填砂可增大支撑管顶的刚度，以减小保温管道的受力，延长保温管道的寿命。回填砂还可起到以下作用：减小压力、消除应力集中、起均压作用。
    在EN13941:2003标准中，对直埋供热管道管线区摩擦层周围回填材料的选用有明确的技术要求[1]：级配：最大粒径≤32mm；粒径≤0.075mm，以重量计不得超过10%；粒径≤0.02mm，以重量计不得超过3%。纯度：材料不应含有植物残余物、腐殖土、软土或泥块等有害成分。颗粒形状：应避免采用有可能损害管道和接头的锐缘大颗粒。摩擦系数：在仔细夯实条件下，材料组分应达到安装设计所规定的摩擦系数。夯实：材料的摩擦系数以标准葡氏值为依据，平均为97%～98%，不能低于95%，要求仔细地并均匀地夯实。
    上述技术要求可理解为：回填材料的级配90%以上应该是较均匀的中砂。由于细砂所占的比例很小，就明确排除了完全采用砂质粉土的可行性。在回填材料的纯度上不应含有软土或泥块等有害成分，也同时明确地排除了回填粉质黏土的可行性。
    上述技术要求仅限于沟槽管线区的摩擦层，而管线区上部的承压层则不受此规定的限制，允许回填沟槽开挖出来的合适物料(即过筛细土)。
    必须指出的是：在直埋供热管道管线区的摩擦层回填砂可起到保证摩擦条件及渗透排水的作用，如果回填的是土，直埋供热管道(表面温度通常为50℃)将加热含水分的泥土，随着水分的蒸发，干燥的泥土将形成较硬的空壳，使管道失去摩擦约束，管道的热伸长量加大，从而加大管件的应力水平或使补偿器产生过量的位移，从而威胁直埋供热管道的安全。显然，我国现行标准CJJ/T 81—98允许采用“粉质黏土”或“砂质粉土”作为回填材料的规定有待商榷。
2 摩擦系数的确定
    CJJ/T 81—98《城镇直埋供热管道工程技术规程》给出的保温管外壳与土壤间的摩擦系数，对于中砂与粉质黏土、砂质粉土的差别不是很大，只区别在最小摩擦系数的取值：中砂为0.2，粉质黏土、砂质粉土为0.15。
   根据EN13941标准对回填材料级配的规定，排除了完全采用粉质黏土、砂质粉土的可行性，因此只需保留CJJ/T 81—98关于中砂的摩擦系数即可。这与EN13941标准给出的摩擦系数是一致的，而且与近年来太原地区进行的试验结果也是吻合的。
   太原理工大学与太原市热力公司联合进行砂箱实验台测试(利用机械力模拟热膨胀力的实验方法)，并进行工程现场测试摩擦系数(按照工程实际管顶埋深及管线区的摩擦层回填砂的条件进行测试)。经过测试所得的最大摩擦系数是砂箱实验得出的结果。而在工程实际中，直埋供热管道首次热膨胀时摩擦系数最大，但首次升温供水温度也较低，摩擦力小，当水温达到额定最高温度时，过渡段管道已经历多次热伸长移动，虽然运行温度高，但管段平均摩擦系数小，其最大摩擦系数已有所下降[2]。
    现行标准CJJ/T 81—98中规定了高密度聚乙烯或玻璃钢作为保护壳的聚氨酯保温管与中砂的最大摩擦系数为0.4，最小摩擦系数为0.2。在受力分析中取最大摩擦系数为0.4，在选用补偿器中取最小摩擦系数为0.2，这样在两方面都是安全的。
    EN13941标准给出的砂质土壤摩擦系数为：
    ① 长期移动取最小摩擦系数为0.2。是指对长期作用的供热管道在降温冷却时会产生“隧道效应”，即加热时管径增加，可能导致摩擦力上升；而冷却时管径减小，可能导致摩擦力下降。在选择补偿器时应取最小摩擦系数为0.2。
    ② 常态移动取平均摩擦系数为0.3～0.4。是指对于低循环疲劳分析(温度变化比较小)，大多数情况下取0.4比较合适。
    ③ 首次升温时的短期作用取最大摩擦系数为0.6。属于过渡状态，不能作为设计计算的依据。
    EN13941标准给出的应用条件与近年来国内进行的摩擦系数实验结果基本相同。
3 修订建议
    ① EN13941标准与CJJ/T 81—98标准给出的最小摩擦系数0.2是一致的。是属于长期作用下，埋设在级配良好土壤的大管径管道，当冷却时由于隧道效应使摩擦系数减小所致，是作为选用补偿器的条件。
    ② CJJ/T 81—98标准给出的最大摩擦系数0.4，是基于砂箱实验台连续机械推拉9次，直至摩擦推力趋于稳定下获得的，它相当于EN13941标准给出的常态移动下平均摩擦系数0.4(即供水温度达到最高的条件下)。因此，现行标准CJJ/T 81—98中的“最小过渡段长度”及“最大轴向力”宜改为“平均过渡段长度”及“平均轴向力”。
    ③ EN13941标准给出的最大摩擦系数为0.6，是发生在首次升温时的短期作用。此时的供水温度较低，热伸长量较小，轴向摩擦力也并非最大，属于过渡状态，该摩擦系数不能作为设计计算的依据。因此不存在摩擦系数为0.6下的最小过渡段长度和最大轴向力。北欧采取在预制保温管外缠绕一层塑料膜的方法，以降低摩擦系数。
    ④ 相应取消CJJ/T 81—98标准中回填材料采用“粉质黏土”、“砂质粉土”的相关条款。
参考文献：
[1] British Standards Institution.EN13941:2003 Design and installation of preinsulated bonded pipe systems for district heating[S].London：Standards Policy and Strategy Committee，2003.
[2] 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，2007：30-35.
 
(本文作者：梁雅滨 中国市政工程华北设计研究总院 天津 300074)