直埋敷设供热管道三通支管设计方法

摘 要

摘要：介绍了直埋敷设供热管道三通支管的设计方法，对各种设计方法中设计参数的选取进行了分析。关键词：直埋敷设；供热管道；三通；支管Design Methods of Tee Branch of Directly Bur
摘要：介绍了直埋敷设供热管道三通支管的设计方法，对各种设计方法中设计参数的选取进行了分析。
关键词：直埋敷设；供热管道；三通；支管
Design Methods of Tee Branch of Directly Buried Heat-supply pipeline
WANG Wan-yue，ZHANG Xian，SUN Chun-yan
Abstract：The design methods of tee branch of directly buried heating pipeline are introduced. The selection of design parameters in different design methods is analyzed.
Key words：directly buried installation；heat-supply pipeline；tee；branch
   供热管道直埋敷设是替代传统管沟敷设和架空敷设的新型实用技术。具有造价低、施工期短、占地面积小等特点，是住房和城乡建设部重点推广技术之一，也是我国城市热网的主要敷设方式[1～5]。而直埋敷设管道中的三通分支设计一直是设计人员非常关心的问题，尤其对于集中供热系统。由于集中供热系统供热面积大，主管管径相对较大，分支较多，无疑增加了三通分支设计的难度。一般情况下，三通主管的设置比较简单，有两种情况：一种情况是三通设置固定支座、补偿器，三通主管无轴向移动；另一种情况是三通不设固定支座、补偿器，三通主管有轴向移动。本文对直埋敷设供热管道三通支管的设计方法进行探讨。
1 支管设置固定支座
    当三通主管无轴向移动时，支管设置固定支座的情况见图1。运行中固定支座与三通之间的管道由于热胀产生变形，固定支座与三通的距离越大，变形越大。当固定支座至三通的距离三达到一定值时，三通易由于支管的变形而破坏，为了限制支管上的热胀变形向三通转移，应满足L≤9m[6、7]。
 
当三通主管有轴向移动时，支管设置固定支座的情况见图2。三通主管的轴向移动越大，在三通产生的应力越大，三通越容易破坏。为使支管能够吸收三通主管的轴向移动，减小由于三通主管的轴向移动在三通产生的应力，固定支座与三通的距离L应满足L＞Le，Le的计算式为[7]：
 
式中Le——L形管道的弹性臂长，m
    De——保温管道的外径，m
    C——土壤横向压缩反力系数，N/m3
E——钢材的弹性模量，MPa
Ip——管道横截面惯性矩，m4
 
值得注意的是，由于三通主管的轴向移动吸收了支管的热胀变形，因此从支管热胀变形角度考虑L的极大值应该没有限制，但支管热胀冷缩时易对固定支座产生推力，该推力即是支管的外壳与土壤之间的摩擦力F，计算式为：
 
式中F——支管对固定支座产生的推力，N
    ρ——土壤的密度，kg/m3
    g——重力加速度，m/s2
μ——保温管外壳与土壤之间的摩擦系数
h——管顶覆土深度，m，当h＞1.5m时，取1.5m
由式(2)可知，在ρ、μ、h、Dc一定的情况下，F与L的变化规律一致，为了降低F，就必须限制固定支座与三通的距离。因此，应根据固定支座的受力对L加以限制。
2 支管设置补偿装置
2.1 设置自然补偿
    采用自然补偿不需购买补偿器，不需设置补偿器检查井，可节约资金，缩短施工时间。由于市政设施越来越多，城市道路上有供热管道、污水管道、雨水管道、自来水管道等。供热管道采用双管敷设，且一般情况下是水平布置，加之管道又要保温，因此在
原本就有限的道路上占据了不少窄间。如果再在三通分支处设置补偿器检查井或固定支座，供热管道将占用更大的空间。因此，在三通支管上采用自然补偿是首选的设计方法。
   ① 设置L形自然补偿
   当三通主管无轴向移动肘，支管设置L形自然补偿的情况见图3。当三通主管与支管上下平行设置，支管采用L形布置时，为了减少与三通主管平行部分的支管轴向移动对三通的影响，并考虑支管的L形自然补偿，支管弯头距三通的距离(即L形自然补偿的短臂长度Ls)宜接近管道的弹性臂长Le。对于直埋供热管道，土壤与保温管道直接接触限制了管道的自由活动，因此在补偿弯臂处根据需要设置不同厚度的软回填材料，软回填材料必须选用伸缩性好的保温防冻材料。
 
   ②设置Z形自然补偿
当三通主管无轴向移动时，支管设置Z形自然补偿的情况见图4。当支管采用Z形布置时，支管对三通主管的推力即保温管外壳与土壤之间的摩擦力F，同样由式(2)可知，在ρ、μ、h、Dc一定的情况下，F与L的变化规律一致，为了降低F，L应满足L≤20m[7]。
 
    Z形自然补偿可分割成两个L形自然补偿，因此以Z形自然补偿的垂直臂上的驻点将Z形自然补偿分为两个L形自然补偿，从而根据两个L形自然补偿确定Z形自然补偿的垂直臂长，以保证管道在热胀冷缩时能够自由活动，吸收管道热胀冷缩时产生的应力，起到保护管道的目的。同L形自然补偿一样，为了使垂直臂能够自由活动，在补偿弯臂处根据需要设置不同厚度的软回填材料。
2.2 设置轴向补偿器
当在支管上无法实现自然补偿时，可以考虑在支管上设置轴向补偿器，轴向补偿器的类型可根据供回水温度、支管的管径及其他技术要求选用。当三通主管无轴向移动时，支管设置轴向补偿器的情况见图5。为了降低支管的轴向移动对三通的推力，轴向补偿器距三通的距离L应满足L≤20m[7]。
 
    当三通主管有轴向移动时，支管设置轴向补偿器的情况见图6。为使支管能够吸收主管的轴向移动，并使支管上的土壤侧向反力能够限制支管的侧向位移，以保护轴向补偿器不被破坏，轴向补偿器距三通的距离L应满足L≥12m[7]。此外，轴向补偿器距三通的距离L还与轴向补偿器的结构有关，若选择套筒补偿器，则L还要满足套筒补偿器不会被支管弯头处产生的盲板力拉脱的条件。
 
3 补充说明
    ① 不管是何种分支形式，为了保证三通的寿命，均应在三通开口处进行加强，加强的方法根据实际情况选用肋板加强、槽钢加强等。
    ② 当三通主管允许有轴向位移时，三通主管的轴向位移将使支管产生侧向位移，此时应控制三通到主管补偿装置的距离，保证三通处主管的最大轴向位移不大于50mm。三通处主管的最大轴向位移smax的计算式为：
    smax=1.2αlLc(t2-t0)    (3)
式中smax——三通处主管的最大轴向位移，m
    αl——管道的线膨胀系数，K-1
    Lc——三通至主管补偿装置的距离，m
    t2——管道最高工作温度，℃
    t0——管道安装温度，℃
4 结论
    选择直埋敷设供热管道三通分支设计方法要综合考虑三通在主管上的开口位置及支管的走向等，在可行的前提下，优先考虑在支管上采用自然补偿的设计方法，当无法采用自然补偿时，可结合实际情况选用在支管上设置固定支座或安装轴向补偿器的设计方法。
参考文献：
[1] 董滦杰.大管径直埋热水供热管道设计施工实例探讨[J].煤气与热力，2007，27(11)：70-71.
[2] 张连钢，杨良仲，吕国良.大管径直埋供热管道的技术要点[J].煤气与热力，2007，27(9)：68-71.
[3] 牛小化.大管径热水供热管道直埋设计的探讨[J].煤气与热力，2007，27(7)：76-81.
[4] 冯继蓓，孙蕾，张虹梅.直埋热水供热管道敷设方式比较[J].煤气与热力，2006，26(11)：50-52.
[5] 王钢，吴星.我国预制保温直埋供热管网系统的研究与发展[J].区域供热，2000，(5)：23-27.
[6] 王钢，贺平，吴星.直埋敷设热力管道强度设计理论及方法[J].哈尔滨建筑大学学报，2001，(4)：83-86.
[7] CJJ/T 81—98，城镇直埋供热管道工程技术规程[S].
 
(本文作者：王万月1 张弦2 孙春艳2 1.中北大学山西太原 030051；2.山西大学 山西太原 030051)