摘 要：對(duì)架空供熱管道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行探討，包括：管道凈高、保溫材料選擇、保護(hù)層設(shè)計(jì)、補(bǔ)償器選擇、旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器旋轉(zhuǎn)臂最小長(zhǎng)度及最佳安裝角、活動(dòng)支架允許間距、滑板長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：架空敷設(shè)； 供熱管道； 設(shè)計(jì)要點(diǎn)
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
與直埋供熱管道相比，架空供熱管道的應(yīng)力驗(yàn)算比較簡(jiǎn)單，在保溫計(jì)算與水力計(jì)算方面也沒(méi)有太大差別，但目前在架空供熱管道的設(shè)計(jì)上存在諸多問(wèn)題。本文對(duì)架空供熱管道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行探討。
1 凈高
1.1 不影響交通地區(qū)
CJJ／T 55—2011《供熱術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)》分別對(duì)低支架、中支架、高支架供熱管道保溫結(jié)構(gòu)底面距地面凈高(以下簡(jiǎn)稱凈高)進(jìn)行了說(shuō)明，低支架為小于2m，中支架為大于等于2m、小于4m，高支架為4m及以上。
我國(guó)現(xiàn)行的CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第8．2．12條指出：在不影響交通的地區(qū)，應(yīng)采用低支架，管道保溫結(jié)構(gòu)下表面距地面的凈距不應(yīng)小于0.3m。至于為何盡可能采用低支架，在條文解釋中未作出說(shuō)明。我們的理解是：低支架的建設(shè)成本低，施工、維修方便，便于運(yùn)行管理?；谶@樣的理解，加之CJJ 34—2010也未作過(guò)多限定，因此我國(guó)多采用低支架的安裝方式。事實(shí)上，在實(shí)際運(yùn)行管理中，低支架供熱管道存在的問(wèn)題遠(yuǎn)比中高支架多，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
①安全問(wèn)題。供熱管道屬于較高溫度管道，架空供熱管道避免不了有閥門(mén)法蘭、排水閥、疏水裝置、補(bǔ)償器等高溫面的裸露，這些高溫裸露面易造成人員燙傷。因此，低支架供熱管道存在安全隱患。
②容易損壞。由于低支架供熱管道在人易觸及的高度上，因此保護(hù)層及保溫層容易被人為損壞。若保護(hù)層耐火性差，管道周?chē)兹嘉镏饦O易將保護(hù)層燒壞，需定期清理低支架供熱管道周?chē)碾s草及其他易燃物。
③影響人畜無(wú)規(guī)則通行。實(shí)際上，低支架供熱管道易造成人畜踩管翻越，在將保護(hù)層、保溫層踩壞的同時(shí)，還存在燙傷的危險(xiǎn)。
④影響土地有效利用。低支架敷設(shè)區(qū)域的土地基本被徹底占用，得不到有效利用。
綜上所述，建議CJJ 34—2010的第8．2．12條改為：在不影響交通的地區(qū)，宜采用中支架。并將中支架凈高下限提高至大于等于2.5m，這是由于2m高度仍然在人體可觸及范圍內(nèi)。
1．2 公路路面
CJJ 34—2010表8．2．11-2要求：架空供熱管道與公路路面的最小垂直凈距為4.5m。我國(guó)現(xiàn)行的JTJ B01—2003((公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》在對(duì)公路設(shè)計(jì)所采用的設(shè)計(jì)車(chē)輛外廓尺寸的規(guī)定中要求：車(chē)輛總高度限定在4m以內(nèi)。由此可知，架空供熱管道與車(chē)輛的安全距離為0.5m，理論上可以接受。然而，0.5m的安全距離在實(shí)踐中卻存在問(wèn)題。
為獲取較高收益，有不少大型貨車(chē)存在超高情況，而且屢禁不止。很多大型貨車(chē)的裝貨高度超過(guò)4m，輕易就達(dá)到了4.5m，導(dǎo)致架空供熱管道被大型貨車(chē)撞壞的情況時(shí)有發(fā)生。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，公路路面上的架空供熱管道凈高至少應(yīng)達(dá)到5m，安全才會(huì)得到保障。JTJ B01—2003第2．0．7條第4款規(guī)定：一條公路應(yīng)采用同一凈高，高速公路、一級(jí)公路二級(jí)公路的凈高應(yīng)為5.0m，三級(jí)公路、四級(jí)公路的凈高應(yīng)為4.5m。因此，公路路面上的架空供熱管道凈高至少要達(dá)到5m。
2 保溫材料及保護(hù)層
保溫材料及保護(hù)層設(shè)計(jì)不合理，易造成架空供熱管道造價(jià)高及維修量大。如有些架空高溫?zé)崴峁艿啦捎镁郯滨ヅ菽芰献鳛楸夭牧?，在保溫效果與玻璃棉相同情況下，整體造價(jià)要高出很多。過(guò)去常用的油氈加兩布三油形式保護(hù)層，其抗老化能力差，一般2～3a就需要維修一次。因此，保溫材料及保護(hù)層也應(yīng)作為架空供熱管道的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。
2.1 保溫材料的選擇
對(duì)于低支架供熱管道，宜采用硬質(zhì)保溫材料。這是由于低支架敷設(shè)容易出現(xiàn)人在管道上行走的情況，硬質(zhì)保溫材料抗壓強(qiáng)度高，不易被踩壞。目前，強(qiáng)度較高、價(jià)格合理且有一定韌性的硬質(zhì)保溫材料為微孔硅酸鈣。
對(duì)于中高支架供熱管道，宜采用玻璃棉作為保溫材料，這是由于玻璃棉重量輕、彈性好、耐水性好、價(jià)格合理。玻璃棉之外的其他保溫材料，如巖棉，與玻璃棉相比，彈性與耐水性差，使用一段時(shí)間后，易形成上部變薄，下部出現(xiàn)空隙的情況，總體保溫性能下降。
2.2 保護(hù)層的設(shè)計(jì)
對(duì)于低支架供熱管道，當(dāng)采用硬質(zhì)保溫材料時(shí)，保護(hù)層應(yīng)該配套使用鋼絲網(wǎng)加石棉絨水泥形式，石棉絨水泥耐踩踏、耐老化。
對(duì)于中高支架供熱管道，當(dāng)采用輕質(zhì)保溫材料時(shí)，保護(hù)層宜采用鍍鋅鋼板或彩鋼板，厚度為0.3～0.8mm。這是由于鍍鋅鋼板、彩鋼板的抗老化能力強(qiáng)，雖然造價(jià)較高，但使用壽命長(zhǎng)，總體效益好。保護(hù)層內(nèi)宜增設(shè)l層0.1mm厚的塑料布，以免降水從保護(hù)層縫隙侵入保溫層。
3 補(bǔ)償器
3.1 補(bǔ)償器的選擇
補(bǔ)償器的種類(lèi)很多，包括方形補(bǔ)償器、套筒補(bǔ)償器、球型補(bǔ)償器、波紋管補(bǔ)償器、旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器等[1-6]。套筒補(bǔ)償器又分為普通套筒補(bǔ)償器、無(wú)推力套筒補(bǔ)償器；波紋管補(bǔ)償器又分為內(nèi)壓型、外壓型、鉸鏈型、壓力平衡型、橫向大拉桿型等；旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器種類(lèi)雖然單一，但具有較靈活多樣的布置方式。
由于補(bǔ)償器的種類(lèi)多，很多設(shè)計(jì)者對(duì)于架空供熱管道補(bǔ)償器的選取無(wú)從下手。目前，突出的問(wèn)題是在架空供熱管道上采用了無(wú)推力套筒補(bǔ)償器、壓力平衡型波紋管補(bǔ)償器。在理論上，這兩種補(bǔ)償器可抵消管道內(nèi)壓(即管道內(nèi)流體壓力)對(duì)固定支架產(chǎn)生的推力。但當(dāng)無(wú)推力套筒補(bǔ)償器伸縮時(shí)的摩擦力較大時(shí)，易出現(xiàn)管道將固定支架推動(dòng)了，補(bǔ)償器還未能伸縮的情況[7]。壓力平衡型波紋管補(bǔ)償器較大的彈性力易將固定支架推壞。這兩種補(bǔ)償器的造價(jià)都比較高，且無(wú)推力套筒補(bǔ)償器的摩擦面多，易泄漏。
有不少架空供熱管道選擇了普通套筒補(bǔ)償器、外壓型波紋管補(bǔ)償器，雖然在理論分析上比較合理，但不是最優(yōu)選擇。這兩種補(bǔ)償器用于架空供熱管道時(shí)，管道內(nèi)壓對(duì)固定支架產(chǎn)生的推力F的計(jì)算式為：
F=Ap (1)
式中F——管道內(nèi)壓對(duì)固定支架產(chǎn)生的推力，N
A——補(bǔ)償器的有效面積，m2
p——管道內(nèi)壓，Pa
例如規(guī)格為Øl020 X 12的供熱管道，設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa，強(qiáng)度試驗(yàn)壓力(為設(shè)計(jì)壓力的1.5倍)為2.4MPa，采用外壓型波紋管補(bǔ)償器，補(bǔ)償器的有效面積為0.967m2。由式(1)可計(jì)算得到，強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)管道內(nèi)壓對(duì)固定支架產(chǎn)生的推力達(dá)到2.32MN。這使得固定支架的工程造價(jià)大幅提高，特別是中高支架。
綜合以上分析，架空供熱管道補(bǔ)償器適宜選擇旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器、球型補(bǔ)償器、鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器、橫向大拉桿波紋管補(bǔ)償器。補(bǔ)償器是比較薄弱的裝置，宜選擇比供熱管道設(shè)計(jì)壓力高一個(gè)壓力等級(jí)的補(bǔ)償器。若選用波紋管補(bǔ)償器，高一個(gè)壓力等級(jí)，造價(jià)將高出許多。此外，波紋管補(bǔ)償器易受到腐蝕發(fā)生泄漏，且不能維修。因此，宜選擇旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器、球型補(bǔ)償器。與球型補(bǔ)償器相比，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的價(jià)格低，不易泄漏，更安全可靠。綜上所述，對(duì)于架空供熱管道，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器是最優(yōu)選擇。
對(duì)于方形補(bǔ)償器，一般而言，管徑較小的供熱管道采用具有一定的優(yōu)勢(shì)，而管徑較大的供熱管道不宜采用，這是由于管徑較大的方形補(bǔ)償器占地面積大、造價(jià)高。我們認(rèn)為，除特殊情況外，DN200mm及以上管徑的供熱管道不宜采用方形補(bǔ)償器。
3.2 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器
在理論上以及廠家說(shuō)明書(shū)上并沒(méi)有限制旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器轉(zhuǎn)角，但實(shí)際上，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的轉(zhuǎn)角(安裝角的2倍)不宜過(guò)大，應(yīng)限制在40°以內(nèi)，否則會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：一是造成管道擺動(dòng)過(guò)大，二是易造成補(bǔ)償器轉(zhuǎn)角過(guò)大導(dǎo)致泄漏。旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器布置在兩個(gè)固定支架中間位置時(shí)的工作原理見(jiàn)圖l。為補(bǔ)償管道的熱伸長(zhǎng)量，又不使得旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器出現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)角和擺動(dòng)，需限定旋轉(zhuǎn)臂最小長(zhǎng)度及最佳安裝角。
旋轉(zhuǎn)臂最小長(zhǎng)度Lmin的計(jì)算式為：
式中Lmin——旋轉(zhuǎn)臂最小長(zhǎng)度，m
DL——管道的熱伸長(zhǎng)量，m
最佳安裝角q的計(jì)算式為：
式中q——最佳安裝角，rad
L——旋轉(zhuǎn)臂實(shí)際長(zhǎng)度(應(yīng)大于等于Lmin)，m
4 活動(dòng)支架允許間距
4.1 長(zhǎng)直管道活動(dòng)支架
CJJ 34—2010沒(méi)有給出架空供熱管道活動(dòng)支架允許間距的詳細(xì)計(jì)算方法，也沒(méi)有要求在計(jì)算活動(dòng)支架允許間距時(shí)考慮剛度條件。在計(jì)算活動(dòng)支架允許間距時(shí)，可參照DLT 5366—2006((火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，僅考慮強(qiáng)度條件，這是由于剛度條件取充水的架空供熱管道最大重力荷載按最大撓度小于管徑的10％計(jì)算，按強(qiáng)度條件校核的活動(dòng)支架允許間距仍滿足剛度條件[8]。
關(guān)于按強(qiáng)度條件確定活動(dòng)支架允許間距的計(jì)算，一些文獻(xiàn)給出了不同的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[9]給出的計(jì)算式為：
式中Lmax——活動(dòng)支架的允許間距，m
sw——管材的許用外載綜合應(yīng)力，MPa，按文獻(xiàn)[9]附錄l4-4確定
W——管子斷面抗彎矩，cm3，按文獻(xiàn)[9]附錄14-2確定
j——管子橫向焊縫系數(shù)，按文獻(xiàn)[9]附錄14-2確定
G——外載作用下管子單位長(zhǎng)度的計(jì)算重量，N／m
而文獻(xiàn)[10]給出的計(jì)算式為：
式中sall——管材在計(jì)算溫度下的許用應(yīng)力，MPa
式(2)、(3)都不是參照DLT 5366—2006推導(dǎo)出來(lái)的計(jì)算式，筆者參照DLT 5366—2006推導(dǎo)出來(lái)的較準(zhǔn)確計(jì)算式為[8]：
式中Do——管子外直徑，mm
Di——管子內(nèi)直徑，mm
Pd——設(shè)計(jì)壓力，MPa
4.2 轉(zhuǎn)角附近活動(dòng)支架
轉(zhuǎn)角附近活動(dòng)支架的最大允許間距為長(zhǎng)直架空供熱管道活動(dòng)支架最大允許間距的81．6％，在實(shí)際工程中，可圓整為80％[11]。
5 滑板
與活動(dòng)支架滑托接觸的滑板見(jiàn)圖2。滑托是靜止的，滑板與管道焊接在一起，滑板隨管道的熱脹冷縮一起運(yùn)動(dòng)。對(duì)于旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器設(shè)置在靠近一側(cè)固定支架的管段(見(jiàn)圖3)，每個(gè)活動(dòng)支架處管道的熱伸長(zhǎng)量、冷收縮量均不一致，越接近旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的管道兩種位移量越大，這使得每個(gè)活動(dòng)支架處的滑板設(shè)計(jì)長(zhǎng)度均不同。由于滑板越短，造價(jià)越低，熱損失越小，因此在滿足管道位移量的前提下(即不使得滑板脫離滑托)，滑板越短越好。
用于滿足管道熱伸長(zhǎng)量的滑板長(zhǎng)度L1的計(jì)算式為：
L1＝1.1aDtLg
式中L1——用于滿足管道熱伸長(zhǎng)量的滑板長(zhǎng)度，m
a——管材的線脹系數(shù)，K-1
Dt——管道工作循環(huán)最高溫度與管道計(jì)算安裝溫度之差，℃
Lg——滑板所在活動(dòng)支架位置至固定支架A的距離，m
用于滿足管道冷收縮量的滑板長(zhǎng)度L2的計(jì)算式為：
L2＝1.1aDtdLg
式中L2——用于滿足管道冷收縮量的滑板長(zhǎng)度，m
Dtd——管道計(jì)算安裝溫度與室外最低溫度之差，℃
若L1、L2這兩個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)未在施工圖中明確給出，加之施工單位欠缺經(jīng)驗(yàn)，往往造成滑板長(zhǎng)度設(shè)置不合理，從而導(dǎo)致滑板脫落。特別是當(dāng)L2過(guò)小時(shí)，若架空供熱管道在夏季施工，到冬季正式運(yùn)行前滑板就已經(jīng)脫落?；迕撀湓斐傻暮蠊菍⒅Ъ芡频?，非常嚴(yán)重。
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本文作者：張羨洲 高百爭(zhēng)
作者單位：中國(guó)平煤神馬集團(tuán)陽(yáng)光物業(yè)有限公司
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