直埋熱水供熱管道摩擦力計算探討

摘 要

摘要：根據(jù)CJJ/T 81—98《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術規(guī)程》，給出單位長度直埋供熱管道與土壤之間摩擦力的計算式。針對大管徑(大于DN 500mm)管道，對計算式中，直埋供熱管道外
摘要：根據(jù)CJJ/T 81—98《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術規(guī)程》，給出單位長度直埋供熱管道與土壤之間摩擦力的計算式。針對大管徑(大于DN 500mm)管道，對計算式中，直埋供熱管道外殼與土壤間的摩擦系數(shù)、管頂覆土深度的取值進行了探討。結合實際工程，對以上兩個參數(shù)取值，對DN 800mm管段進行設計計算，運行效果良好，降低了固定支座造價。
關鍵詞：直埋熱水供熱管道；摩擦系數(shù)；管頂覆土深度；摩擦力
Discussion on Friction Calculation of Directly Buried Hot-water Heating Pipeline
ZHAO Zhigang，MEN Yakun，YANG Baorui
Abstract：According to the Technical Specification for Directly Buried Heating Pipeline Engineering in City(CJJ/T 81—98)the calculation formula of friction between per unit length directly buried hot-water heating pipeline and soil is given.The friction coefficient between directly buried hot-water heating pipeline shell and soil as well as the cover depth above top of pipe for large diameter pipeline of more than DN 500mm are discussed.The above-mentioned parameters of DN 800mm pipe are designed and calculated with an engineering example.The operation effect is good，and the cost of fixed supports is reduced.
Key words：directly buried hot-water heating pipeline；friction coefficient；cover depth above top of pipe；friction
1 概述
近年來，熱水供熱管道的直埋敷設技術得到了廣泛應用。隨著國家節(jié)能減排政策的實施，集中供熱成為趨勢，直埋供熱管道的管徑也逐漸突破了CJJ/T 81—98《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)的限制，公稱直徑＞500mm的熱水管道也越來越多地采用直埋敷設技術。直埋供熱管道的摩擦力計算，大多是依據(jù)《規(guī)程》中的計算方法，然而在應用過程中，有一些計算問題值得探討。
2 摩擦力計算
2.1 摩擦力計算式
在直埋供熱管道設計中，受力計算與應力驗算是很重要的設計依據(jù)。在設計計算中，直埋供熱管道與土壤之間的摩擦力計算是一項復雜的土壤力學問題?！兑?guī)程》規(guī)定，單位長度直埋供熱管道與土壤間摩擦力F的計算式為：
 
式中F——單位長度直埋供熱管道與土壤間摩擦力，N/m
    ρ——土壤密度，kg/m3
    g——重力加速度，m/s2
    μ——保溫管外殼與周圍回填砂土間的摩擦系數(shù)
    Dc——保溫管外殼的外徑，m
    h——管頂覆土深度，m
    由式(1)可知，在摩擦力計算中，摩擦系數(shù)μ與管頂覆土深度h為變量，二者的取值直接影響摩擦力的計算結果。
2.2 摩擦系數(shù)
    摩擦系數(shù)是計算摩擦力的基礎數(shù)據(jù)，也是直埋供熱管道設計的基礎數(shù)據(jù)。過渡段長度的確定，熱伸長量的計算，補償器補償量的計算，固定支座推力計算及直管、彎管應力驗算等，都需要預先確定摩擦系數(shù)。
    摩擦系數(shù)除了與回填砂土、保溫管外殼的物理性質(zhì)有關外，還受到施工中回填砂土的夯實程度、管道熱伸長量、伸縮次數(shù)、供熱介質(zhì)溫度、壓力等的影響[1]。根據(jù)工程現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)，得出摩擦系數(shù)隨管道熱伸長量△L、運行溫度與安裝溫度之差△t的變化，見圖1、2[1]。
 

    由圖1、2可知，“隨△L和△t的增加而增加。《規(guī)程》給出了保溫管外殼(適用于高密度聚乙烯、玻璃鋼)與回填砂土間摩擦系數(shù)的取值范圍，見表1。
表1 《規(guī)程》給出的摩擦系數(shù)取值范圍
回填料
中砂
粉質(zhì)黏土或砂質(zhì)粉土
最大摩擦系數(shù)
0.40
0.40
最小摩擦系數(shù)
0.20
0.15
    直埋供熱管道首次運行時，由于土壓力的作用，摩擦系數(shù)較大。隨著運行溫度的升高，管道熱伸長是漸進式的，即從靠近補償器的管段擴展到整個管段。管網(wǎng)運行初期，摩擦系數(shù)大，但由于△t較小，熱膨脹力小，固定支座受到的推力也小。當達到最高運行溫度時，靠近補償器處的管段已有過多次熱伸長移動，此時土壤形成消力拱，管段摩擦系數(shù)將變小。
    實際運行中，管道摩擦力理論計算結果往往大于實際情況，參考管道頂管施工中估算頂進力Ft(頂進力計算結果與《規(guī)程》中摩擦力計算結果等效)的經(jīng)驗公式[2]：
    Ft=nW    (2)
式中Ft——頂進力，N
    n——土質(zhì)系數(shù)，對于能短期形成土拱的土壤，取1.5～2.0；對于不能形成土拱的土壤，取3～4
    W——被頂管段的全部重量，N
    根據(jù)式(2)，對于相同管徑的直埋供熱管道，當n=4時，計算出的頂進力遠小于根據(jù)《規(guī)程》取最小摩擦系數(shù)0.15計算得到的摩擦力。因此，摩擦系數(shù)受許多工程因素影響，還不能用一個簡單的函數(shù)關系式準確表達，只能給出一個變化范圍。
2.3 管頂覆土深度
    在供熱管道直埋敷設時，管頂覆土深度要依據(jù)當?shù)氐牡匦螠y量圖而定，且必須符合《規(guī)程》關于直埋供熱管道最小覆土深度的要求。對于敷設在車行道下的公稱管徑≤500mm的直埋熱水供熱管道，為避免車輛荷載對管道構成的危害，《規(guī)程》規(guī)定的管頂最小覆土深度見表2。
表2 車行道下直埋熱水供熱管道管頂最小覆土深度
公稱直徑/mm
50～125
150～300
350～500
管頂覆土深度/m
0.8
1.0
1.2
    在計算摩擦力時，由于土壤存在著消力拱的作用，《規(guī)程》規(guī)定，對于公稱直徑≤500mm的管道，保溫結構斷面較小，保溫層又有較大彈性，因此管頂覆土深度超過1.5m時，仍按1.5m計算。
    然而，當前許多供熱工程的直埋供熱管道已突破DN 500mm，超出了《規(guī)程》的限制。在設計中，管頂覆土深度超過1.5m的情況也很常見。土壤的消力拱作用需要根據(jù)不同管徑和土質(zhì)情況進行土壤力學分析，以判斷管頂覆土深度為何值時出現(xiàn)消力拱作用，最后還應通過試驗進一步驗證[3]，然而我國缺乏相關試驗數(shù)據(jù)。對于公稱直徑＞500mm的直埋熱水供熱管道，我們結合工程實踐，當管頂實際覆土深度大于1.6m時，計算值可取1.6～2.0m。
3 工程實例
   ① 工程概況
   北京市順義區(qū)某供熱管道工程，設計參數(shù)為：供熱介質(zhì)：熱水，敷設方式：有補償直埋敷設，設計供、回水溫度：130、70℃，設計壓力：1.6MPa，管道最大規(guī)格：DN 800mm。
   ② 參數(shù)取值分析
   該工程采用直埋供熱管道，設計管徑既有在《規(guī)程》限制范圍之內(nèi)的，也有超出限制范圍的。對于公稱直徑≤500mm的供熱管道，嚴格按照《規(guī)程》進行設計計算。對于公稱直徑＞500mm的供熱管道，設計參數(shù)主要考慮摩擦系數(shù)和管頂覆土深度的選取。
   《規(guī)程》給出的高密度聚乙烯外殼與中砂的摩擦系數(shù)取值范圍為0.20～0.40，摩擦系數(shù)取值越大，固定支座受推力越大，勢必增加施工中的工程量及造價。
   摩擦系數(shù)的取值，直接影響到固定支座的推力計算。對于直埋敷設管道，《規(guī)程》規(guī)定在推力計算時，不考慮固定支座位移，但在管道及固定支座結構設計中允許其有微量位移，一旦位移產(chǎn)生，推力將大大降低。因此該工程在固定支座設計中，受力擋板與固定支座間設置10mm厚聚苯板，以減小固定支座受力。該工程的最大設計管頂覆土深度達到3.0m。
   結合其他工程的設計經(jīng)驗，經(jīng)過專家論證，在既保證工程安全又最大限度地降低造價的前提下，在設計計算過程中摩擦系數(shù)取0.25；當管頂覆土深度超過1.6m時，計算值取1.6m。
   ③ 經(jīng)濟性分析
   該工程公稱直徑＞500mm的供熱管道單程長度為3590m，共設置10個固定支座，均為倒T型混凝土固定支座。按照以下兩種方案對固定支座的造價進行計算比較：方案1：μ取0.25，h取1.6m；方案2：μ取0.4，h取實際管頂覆土深度。采用兩種方案的固定支座造價比較結果見表3。單位體積混凝土造價為2000元/m3。由表3可知，在保證工程安全的前提下，僅固定支座一項，方案1即可降低造價100.8×104元，經(jīng)濟效益顯著。
表3 兩種方案的固定支座造價比較結果
方案
方案1
方案2
單個固定支座混凝土工程量/m3
19.46
69.84
固定支座造價/元
3.89×104
13.97×104
   ④ 運行效果
   依據(jù)當?shù)氐牡刭|(zhì)條件，結合實際工程情況，對設計參數(shù)取值進行了突破。部分管段已投入運行1年，情況良好。
參考文獻：
[1] 王飛，張建偉.直埋供熱管道工程設計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：33.
[2] 江孝褆，修長征，李建勛.城鎮(zhèn)燃氣與熱能供應[M].北京：中國石化出版社，2006：295-296.
[3] 牛小化.大管徑熱水供熱管道直埋設計的探討[J].煤氣與熱力，2007，27(7)：76-80.
 
(本文作者：趙志剛 門亞琨 楊寶銳 中科院建筑設計研究院有限公司熱力所 北京 100190)