暖通工程師關(guān)于供熱管道保溫處理與無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)設(shè)計(jì)探討

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一、供熱管道的保溫處理

我們知道，許多供熱管道由于保溫處理不當(dāng)，因此每年都會(huì)因?yàn)槟茉吹膯适г斐山^大的經(jīng)濟(jì)損失，尤其是在一些天氣較為寒冷的地區(qū)，供熱管道保溫措施的缺失，讓能量的。也就是說(shuō)，所謂的供熱管道保溫處理是指，減少供熱管道及其附件、設(shè)備等向周?chē)h(huán)境散失熱量的措施。 通過(guò)上面的描述我們已經(jīng)對(duì)保溫處理的目標(biāo)和目的有了一定的了解，再?gòu)母敿?xì)的角度來(lái)說(shuō)， 保溫的主要作用是減少供熱介質(zhì)在輸送過(guò)程中的熱量損失，節(jié)約燃料，保證供熱質(zhì)量，以滿足用戶的需要。保溫的另一個(gè)作用是使管道外表面溫度不致過(guò)高(不超過(guò)60C)，避免燙傷運(yùn)行檢修人員。

(一)對(duì)供熱管道進(jìn)行保溫處理需要首先選擇合適的保溫材料。保溫材料應(yīng)具有熱導(dǎo)率小不超過(guò)3兆瓦/(米・開(kāi))，吸水性低，機(jī)械強(qiáng)度較高，在使用溫度范圍內(nèi)不變形、不變質(zhì)、可燃性小、不腐蝕金屬，易于施工成型和成本低廉等特點(diǎn)。 現(xiàn)在經(jīng)常見(jiàn)到的保溫材料也就有無(wú)機(jī)和有機(jī)兩種。(1)無(wú)機(jī)保溫材料常用的有泡沫混凝土、礦棉、石棉、玻璃棉、蛭石、硅藻土、膨脹珍珠巖以及巖棉等。(2)有機(jī)保溫材料。隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，如聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料等已在供熱管道上使用。這種保溫材料熱導(dǎo)率小、耐腐蝕性好、吸水率低、質(zhì)輕、強(qiáng)度大、加工成型簡(jiǎn)單，但耐溫程度有待進(jìn)一步提高。

(二)供熱管道的保溫一般由保溫層和保護(hù)層兩部分構(gòu)成。為防止腐蝕，先要在管子表面涂上防銹材料。保溫層的厚度由技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。保護(hù)層一般用石棉水泥涂抹或用瀝青玻璃布、金屬皮包覆。必要時(shí)，在保護(hù)層外還應(yīng)采取防水措施。保護(hù)層的外表面應(yīng)當(dāng)整潔、光滑、美觀并與周?chē)h(huán)境相協(xié)調(diào)，有時(shí)還刷上一層色漆，以區(qū)別不同用途的管道。供熱管道保溫結(jié)構(gòu)的施工方法有涂抹式、灌筑式、填充式、綁扎式和預(yù)制式，其中綁扎式和預(yù)制式結(jié)構(gòu)使用廣泛。附件和設(shè)備的保溫結(jié)構(gòu)形式，可根據(jù)其具體形狀因地制宜地選擇。

二、無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)供熱管道技術(shù)難點(diǎn)

無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)的難點(diǎn)是設(shè)計(jì)的技術(shù)難度大。熱水管道為滿足功能要求及敷設(shè)條件，在管網(wǎng)上需要設(shè)置許多管道附件。直埋管道運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜，隨著管道升溫降溫的變化，管道的工作狀態(tài)可能偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)。因此設(shè)計(jì)人員須熟練掌握應(yīng)力分析方法并有相當(dāng)?shù)膶?shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)管網(wǎng)各種因素的組合條件綜合考慮，對(duì)直管段及每一個(gè)管道附件按最不利工況進(jìn)行計(jì)算，并采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施。無(wú)補(bǔ)償直埋技術(shù)于20世紀(jì)80年代傳入我國(guó)，目前供熱管道直埋無(wú)補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法有兩種：

(一)一種是北歐的計(jì)算方法：應(yīng)用第四強(qiáng)度理論，形狀改變比能是引起材料屈服破壞的主要因素，無(wú)論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)處的形狀改變比能達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限值，材料就要發(fā)生屈服破壞，也就是極限分析法，采用此方法時(shí)管道安裝需要預(yù)熱安裝;

(二)一種是北京煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院的計(jì)算方法：應(yīng)用第三強(qiáng)度理論，即采用應(yīng)力分類(lèi)：(1)一次應(yīng)力，工作壓力在管道中產(chǎn)生的內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力等;(2)二次應(yīng)力指熱脹冷縮受到外力約束時(shí)，在直管中產(chǎn)生的應(yīng)力，如升溫產(chǎn)生的軸向壓應(yīng)力、降溫產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力;(3)三次應(yīng)力指承受一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的直管道向結(jié)構(gòu)不連續(xù)的管件如三通、變徑管、彎管等處釋放的變形，在該管件的開(kāi)口周?chē)a(chǎn)生的應(yīng)力。以上按應(yīng)力分類(lèi)的方法也叫安定性分析，采用此方法時(shí)管道冷安裝即可。

三、供熱管道管材分析與設(shè)計(jì)要求

(一)管材分析

應(yīng)用在供熱管道上的管材多為低碳鋼Q235。我們首先就要了解低碳鋼Q235的材料特性。伸長(zhǎng)率δ<5%的材料為脆性材料，伸長(zhǎng)率δ>5%的材料為塑性材料。Q235塑性伸長(zhǎng)率可達(dá)20%～30%(一般取26%)，斷面收縮率Ψ≈60%。由此可見(jiàn)Q235鋼是一種塑性較好的一種材料，從Q235鋼拉應(yīng)力性能曲線上來(lái)分析它在不同應(yīng)力階段的變化情況。(1)彈性階段。OA為彈性變形階段，σp為比例極限，拉應(yīng)力與變形保持正比例關(guān)系，Q235鋼的比例極限σp=200MPa，σe為彈性極限(AB段)δ與ε間的關(guān)系不再成正比，但變形仍是彈性的。A與B非常接近，在工程不對(duì)彈性極限和比例極限并不嚴(yán)格區(qū)分。(2)屈服階段。屈服：當(dāng)應(yīng)力超過(guò)B點(diǎn)到達(dá)C點(diǎn)后，應(yīng)力σ呈現(xiàn)幅度不大的波動(dòng)而變形卻急劇地增長(zhǎng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為屈服。C點(diǎn)為屈服高限，D1為屈服低限，通常將屈服低限稱(chēng)為屈服極限，Q235鋼的屈服極限σs=235MPa。(3)強(qiáng)化階段。強(qiáng)化：經(jīng)屈服后，材料又增強(qiáng)了抵抗變形的能力，這時(shí)要使材料繼續(xù)變形，就需要增大拉力，這種現(xiàn)象稱(chēng)為強(qiáng)化。D1D段為強(qiáng)化階段。Q235鋼的強(qiáng)化極限σb=375MPa。(4)局部變形階段。從D開(kāi)始，桿件某一局部橫截面急劇收縮，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，到E點(diǎn)時(shí)被拉斷。

(二)管道設(shè)計(jì)要求

(1)針對(duì)市區(qū)地下敷設(shè)的管道易產(chǎn)生折角的現(xiàn)象，在管道布置中將大折角分解為幾個(gè)小角度折角進(jìn)行敷設(shè)。對(duì)于相距較近的折角，由于將其分解為小折角會(huì)很困難，則采用大彎曲半徑的彎管來(lái)代替大折角，從而避免了折角處有預(yù)應(yīng)力集中而產(chǎn)生低循環(huán)疲勞破壞或局部失穩(wěn)破壞。(2)使用大彎曲半徑的彎頭，所有直埋管道大口徑彎頭的彎曲半徑不小于2.5倍公稱(chēng)直徑。彎頭的壁厚比相同管徑的鋼管壁厚多2mm。(3)焊接及檢驗(yàn)要求。現(xiàn)場(chǎng)焊接應(yīng)保證焊透，管徑大于或等于DN400的鋼管及管件焊接應(yīng)采用氬弧焊打底，并采用雙面焊。

四、直埋管網(wǎng)安裝方式

(一)無(wú)補(bǔ)償冷安裝

無(wú)補(bǔ)償冷安裝是指供熱管道的整體焊接溫度等于溝槽回填時(shí)的溫度，即管線焊接和溝槽回填等安裝過(guò)程都是在正常的環(huán)境溫度下進(jìn)行的。管道應(yīng)力驗(yàn)算采用分類(lèi)法和安定性分析理論，設(shè)計(jì)中考慮各種載荷條件可能的組合，將應(yīng)力根據(jù)其起因、來(lái)源、作用范圍、性質(zhì)和危害程度不同進(jìn)行分類(lèi)，采用不同的強(qiáng)度驗(yàn)算條件。按照以上方法設(shè)計(jì)的直埋熱水管道，直管段通?？梢圆辉O(shè)補(bǔ)償裝置且不必預(yù)熱，管道焊接和溝槽回填等安裝過(guò)程都在冷態(tài)條件下進(jìn)行。在冷態(tài)的環(huán)境溫度下管道處于零應(yīng)力狀態(tài)，在運(yùn)行工況下熱應(yīng)力增大，但應(yīng)力變化范圍始終控制在允許值之內(nèi)。該設(shè)計(jì)方法在熱水管道直埋敷設(shè)中可以發(fā)揮明顯優(yōu)勢(shì)，利用溫度應(yīng)力具有自限性的特點(diǎn)，充分發(fā)揮管材的承載能力。

(二)預(yù)應(yīng)力方式

預(yù)應(yīng)力方式有敞開(kāi)式預(yù)熱安裝和設(shè)置一次性補(bǔ)償器覆土后預(yù)熱兩種，在管道溫度升至預(yù)熱溫度時(shí)回填或焊接，在管道溫度恢復(fù)至環(huán)境溫度時(shí)，管道處于拉應(yīng)力狀態(tài)，產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力效果。由于一定量的熱脹變形提前釋放，管道在工作過(guò)程中壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均不超過(guò)鋼材的許用應(yīng)力。(1)敞開(kāi)式預(yù)熱安裝。在覆土前，管道可以進(jìn)行敞開(kāi)式預(yù)熱。由于沒(méi)有土壤摩擦力，管道的熱脹變形可以提前釋放，預(yù)熱溫度為管段內(nèi)平均應(yīng)力為零時(shí)的溫度。管道被加熱到預(yù)熱溫度時(shí)覆土后再冷卻，使管道達(dá)到一定的平均應(yīng)力水平。在首次運(yùn)行加熱移動(dòng)后，其管端的位移與冷安裝的位移大致相同，但避免了冷安裝在首次移動(dòng)時(shí)的較大位移。(2)設(shè)置一次性補(bǔ)償器覆土后預(yù)熱。這種方法是在管道的直段部分，按計(jì)算的間距分段安裝一次性補(bǔ)償器，并僅在補(bǔ)償器附近的溝槽處敞口，其余溝槽回填。一次性補(bǔ)償器的補(bǔ)償量在預(yù)熱前調(diào)整為設(shè)計(jì)值，當(dāng)管道首次加熱使補(bǔ)償器的伸長(zhǎng)量到位后將一次性補(bǔ)償器焊接為整體，管道的熱脹變形得到了提前釋放。由于土壤摩擦力的作用，在兩個(gè)一次性補(bǔ)償器之間的局部應(yīng)力，將高于補(bǔ)償器處的應(yīng)力，然而，由于系統(tǒng)溫度的變化，在多次變化以后，應(yīng)力將均勻一致。

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