直埋敷設供熱管道三通支管設計方法

摘 要

摘要：介紹了直埋敷設供熱管道三通支管的設計方法，對各種設計方法中設計參數(shù)的選取進行了分析。關鍵詞：直埋敷設；供熱管道；三通；支管Design Methods of Tee Branch of Directly Bur
摘要：介紹了直埋敷設供熱管道三通支管的設計方法，對各種設計方法中設計參數(shù)的選取進行了分析。
關鍵詞：直埋敷設；供熱管道；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
   供熱管道直埋敷設是替代傳統(tǒng)管溝敷設和架空敷設的新型實用技術。具有造價低、施工期短、占地面積小等特點，是住房和城鄉(xiāng)建設部重點推廣技術之一，也是我國城市熱網(wǎng)的主要敷設方式[1～5]。而直埋敷設管道中的三通分支設計一直是設計人員非常關心的問題，尤其對于集中供熱系統(tǒng)。由于集中供熱系統(tǒng)供熱面積大，主管管徑相對較大，分支較多，無疑增加了三通分支設計的難度。一般情況下，三通主管的設置比較簡單，有兩種情況：一種情況是三通設置固定支座、補償器，三通主管無軸向移動；另一種情況是三通不設固定支座、補償器，三通主管有軸向移動。本文對直埋敷設供熱管道三通支管的設計方法進行探討。
1 支管設置固定支座
    當三通主管無軸向移動時，支管設置固定支座的情況見圖1。運行中固定支座與三通之間的管道由于熱脹產(chǎn)生變形，固定支座與三通的距離越大，變形越大。當固定支座至三通的距離三達到一定值時，三通易由于支管的變形而破壞，為了限制支管上的熱脹變形向三通轉移，應滿足L≤9m[6、7]。
 
當三通主管有軸向移動時，支管設置固定支座的情況見圖2。三通主管的軸向移動越大，在三通產(chǎn)生的應力越大，三通越容易破壞。為使支管能夠吸收三通主管的軸向移動，減小由于三通主管的軸向移動在三通產(chǎn)生的應力，固定支座與三通的距離L應滿足L＞Le，Le的計算式為[7]：
 
式中Le——L形管道的彈性臂長，m
    De——保溫管道的外徑，m
    C——土壤橫向壓縮反力系數(shù)，N/m3
E——鋼材的彈性模量，MPa
Ip——管道橫截面慣性矩，m4
 
值得注意的是，由于三通主管的軸向移動吸收了支管的熱脹變形，因此從支管熱脹變形角度考慮L的極大值應該沒有限制，但支管熱脹冷縮時易對固定支座產(chǎn)生推力，該推力即是支管的外殼與土壤之間的摩擦力F，計算式為：
 
式中F——支管對固定支座產(chǎn)生的推力，N
    ρ——土壤的密度，kg/m3
    g——重力加速度，m/s2
μ——保溫管外殼與土壤之間的摩擦系數(shù)
h——管頂覆土深度，m，當h＞1.5m時，取1.5m
由式(2)可知，在ρ、μ、h、Dc一定的情況下，F(xiàn)與L的變化規(guī)律一致，為了降低F，就必須限制固定支座與三通的距離。因此，應根據(jù)固定支座的受力對L加以限制。
2 支管設置補償裝置
2.1 設置自然補償
    采用自然補償不需購買補償器，不需設置補償器檢查井，可節(jié)約資金，縮短施工時間。由于市政設施越來越多，城市道路上有供熱管道、污水管道、雨水管道、自來水管道等。供熱管道采用雙管敷設，且一般情況下是水平布置，加之管道又要保溫，因此在
原本就有限的道路上占據(jù)了不少窄間。如果再在三通分支處設置補償器檢查井或固定支座，供熱管道將占用更大的空間。因此，在三通支管上采用自然補償是首選的設計方法。
   ① 設置L形自然補償
   當三通主管無軸向移動肘，支管設置L形自然補償?shù)那闆r見圖3。當三通主管與支管上下平行設置，支管采用L形布置時，為了減少與三通主管平行部分的支管軸向移動對三通的影響，并考慮支管的L形自然補償，支管彎頭距三通的距離(即L形自然補償?shù)亩瘫坶L度Ls)宜接近管道的彈性臂長Le。對于直埋供熱管道，土壤與保溫管道直接接觸限制了管道的自由活動，因此在補償彎臂處根據(jù)需要設置不同厚度的軟回填材料，軟回填材料必須選用伸縮性好的保溫防凍材料。
 
   ②設置Z形自然補償
當三通主管無軸向移動時，支管設置Z形自然補償?shù)那闆r見圖4。當支管采用Z形布置時，支管對三通主管的推力即保溫管外殼與土壤之間的摩擦力F，同樣由式(2)可知，在ρ、μ、h、Dc一定的情況下，F(xiàn)與L的變化規(guī)律一致，為了降低F，L應滿足L≤20m[7]。
 
    Z形自然補償可分割成兩個L形自然補償，因此以Z形自然補償?shù)拇怪北凵系鸟v點將Z形自然補償分為兩個L形自然補償，從而根據(jù)兩個L形自然補償確定Z形自然補償?shù)拇怪北坶L，以保證管道在熱脹冷縮時能夠自由活動，吸收管道熱脹冷縮時產(chǎn)生的應力，起到保護管道的目的。同L形自然補償一樣，為了使垂直臂能夠自由活動，在補償彎臂處根據(jù)需要設置不同厚度的軟回填材料。
2.2 設置軸向補償器
當在支管上無法實現(xiàn)自然補償時，可以考慮在支管上設置軸向補償器，軸向補償器的類型可根據(jù)供回水溫度、支管的管徑及其他技術要求選用。當三通主管無軸向移動時，支管設置軸向補償器的情況見圖5。為了降低支管的軸向移動對三通的推力，軸向補償器距三通的距離L應滿足L≤20m[7]。
 
    當三通主管有軸向移動時，支管設置軸向補償器的情況見圖6。為使支管能夠吸收主管的軸向移動，并使支管上的土壤側向反力能夠限制支管的側向位移，以保護軸向補償器不被破壞，軸向補償器距三通的距離L應滿足L≥12m[7]。此外，軸向補償器距三通的距離L還與軸向補償器的結構有關，若選擇套筒補償器，則L還要滿足套筒補償器不會被支管彎頭處產(chǎn)生的盲板力拉脫的條件。
 
3 補充說明
    ① 不管是何種分支形式，為了保證三通的壽命，均應在三通開口處進行加強，加強的方法根據(jù)實際情況選用肋板加強、槽鋼加強等。
    ② 當三通主管允許有軸向位移時，三通主管的軸向位移將使支管產(chǎn)生側向位移，此時應控制三通到主管補償裝置的距離，保證三通處主管的最大軸向位移不大于50mm。三通處主管的最大軸向位移smax的計算式為：
    smax=1.2αlLc(t2-t0)    (3)
式中smax——三通處主管的最大軸向位移，m
    αl——管道的線膨脹系數(shù)，K-1
    Lc——三通至主管補償裝置的距離，m
    t2——管道最高工作溫度，℃
    t0——管道安裝溫度，℃
4 結論
    選擇直埋敷設供熱管道三通分支設計方法要綜合考慮三通在主管上的開口位置及支管的走向等，在可行的前提下，優(yōu)先考慮在支管上采用自然補償?shù)脑O計方法，當無法采用自然補償時，可結合實際情況選用在支管上設置固定支座或安裝軸向補償器的設計方法。
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(本文作者：王萬月1 張弦2 孫春艷2 1.中北大學山西太原 030051；2.山西大學 山西太原 030051)