闫 冠 龙

(太原市市政工程设计研究院，山西 太原 030002)

0 引言

城市集中供热作为城市一项重要的基础设施，是城市发展水平的重要标志。目前全国的新建热电厂大都远离城市，位于远郊的热电厂需要通过长输供热管道远距离将热源输送至城市中心。因此，为解决大气环境污染，山西省太原市采用了长输管线供热，该工程于2016年年底实现了古交热源输送太原。

1 工程概况

随着国电太原第一热电厂搬迁，太原市河西地区热源将出现缺口，且为解决古交热源向南输送的问题，实现太原市集中供热全覆盖目标，于2017年实施了九院沙河—大井峪路供热管线工程，该工程管线管径为DN1 400。

2 管材及壁厚选用

直埋供热管网管道材料通常选用Q235B，质量要求符合GB 700标准，钢管DN200 mm以上全部采用螺旋焊管，DN200 mm及以下采用20号钢无缝钢管，而本工程则主干线DN1 400采用螺旋缝电焊钢管，材质选用为L290。

L290与Q235B性能见表1。

表1 管材性能

从表1可以看出，L290明显优于Q235B，各项指标控制严格，更适合大口径管道应用，因此结合价格因素及钢材性能考虑，DN1 400主干线选用L290钢材。

线钢是在传统的C-Mn钢的基础上加上合金元素(主要以Nb，V，Ti或少量的Mo，Cu，Ni，Cr及B)，以合金元素来对管线钢进行合金设计，达到不同的强度等级及性能要求，结合控轧控冷的新工艺，生产出综合性能优异的管线钢。管线钢各项指标均优于Q235B，特别是管径大，超过低压上限的输送管线中，应考虑水锤压力和考虑安全系数的情况下，应尽可能的使用管线钢。管线钢钢号最低为L175，以上依次为L210，L245,L290，L320及更高钢号，其中L245与Q235B屈服强度相近，比较意义不大，选用L290时，由于许用应力增加，可以降低壁厚。

L290钢：许用应力按138 MPa计算，计算公式如下[2]：

δ≥δm+B，

B=×δm。

其中，δm为工作管最小壁厚，m；Pd为管道计算压力，MPa；Do为工作管外径，m；[σ]为钢材的许用应力，MPa；δ为工作管公称壁厚，m；δm为工作管最小壁厚，m；η为许用应力修正系数，无缝钢管取1.0，螺旋焊缝钢管，可取0.9；Y为温度修正系数，可取0.4；B为管道壁厚负偏差附加值，m；为管道壁厚负偏差系数。

其他计算参数和上述Q235B计算相同，选用L290管材时，计算壁厚为15.6 mm，考虑安全余量，建议选用壁厚18 mm。

3 敷设方式

目前供热管网的设计方式较多，主要有补偿、预热安装及无补偿冷安装等。但采取何种安装方式是在制定设计方案时首要考虑问题，目前采用较多的是无补偿冷安装方式[1]，从表2可以看出，尤其是在城市道路下埋设供热管线，地下各种管线错综复杂，供热管线本身体量较大，如果各种附件设置太多或者工期较慢势必会对其他管线的安装及道路设施造成不利的影响。

表2 管线安装方式对比

无补偿冷安装直埋热水管道，直管段通常可以不设补偿装置且不必预热，管道焊接和沟槽回填等安装过程都在冷态条件下进行。无补偿冷安装是指供热管道的整体焊接温度等于沟槽回填时的温度，即管线焊接和沟槽回填等安装过程都是在正常的环境温度下进行的。

在冷态的环境温度下管道处于零应力状态，在运行工况下热应力增大，但应力变化范围始终控制在允许值之内。在热水管道直埋敷设中可以发挥明显优势，利用温度应力具有自限性的特点，充分发挥管材的承载能力。

无补偿冷安装相对于有补偿和预热方式的性能比较具有如下明显优点：

1)减少了固定墩和检查井，占地少；

2)安装简单，施工周期短；

3)投资少，无预热或额外补偿装置所需要的费用；

4)管道不动的锚固段较长，管路附件少，维修管理工作量少，运行安全可靠；

5)管网停运期间管道处于低应力状态，管道维修施工和分支安装不必采取特殊措施；

6)泄露点少，便于维修。

4 弯头应力验算

管道弯头选用焊制或冲压弯头，三通均采用跨越型式，焊缝探伤要求符合Ⅱ级标准。横向波纹管补偿器采用多层结构，液压成型，材质为SUS316L。套筒补偿器采用柔性填料型，芯管镀锌或铬。

弯头应力计算公式如下[5]：

σbt+0.5σpt≤3[σ]，

其中，σbt为弯头在弯矩作用下最大环向应力变化幅度，MPa；βb为弯头平面弯曲环向应力加强系数；Ib为弯头横截面的惯性矩，m4；rbo为弯头横截面的外半径，m；M为弯头的弯矩变化范围，N·m；δb为弯头的公称壁厚，m；rbm为弯头横截面的平均半径，m；λ为弯头的尺寸系数；R为弯头的曲率半径，m；[σ]为钢材的许用应力，MPa；σpt为弯头在内压作用下的最大环向应力，MPa；Pd为管道计算压力，MPa；rbi为弯头横截面内半径，m；δb为弯头的公称壁厚，m。

5 固定墩

传统直埋设计中固定支墩的推力计算很大，尤其在大口径的供热管道产生的推力高达上千吨，导致土建专业设计的固定墩尺寸太大，不但增加造价，施工困难，而且延长了施工工期。因此，允许固定墩的产生微量墩位移，这样就可以大大减小固定墩的合成推力，降低工程投资额[2]。

6 保温层及保护层

6.1 保温层材料

主要技术性能应满足下述指标:

密度不应大于350 kg/m3，平均工作温度下的导热系数值不得大于0.12 W/(m·K)。

除软质、散状材料外，半硬质的保温材料压缩10%时的抗压强度不应小于0.2 MPa，硬质预制成型制品的抗压强度不应小于0.3 MPa。直埋部分管道选用高密度聚乙烯外护管聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管，保温层为聚氨酯泡沫塑料。

6.2 保温层厚度计算

对于聚氨酯泡沫塑料保温层，推荐经济厚度供水管为80 mm，回水管道60 mm，实际使用时，供水管保温层选用厚度100 mm，回水管保温层仍选用厚度60 mm。

对于DN1 400长距离输送管道，输送到热力站的供水温度直接影响溴化锂机组的换热效果，影响各个热力站的回水温度，从而最终影响电厂内的余热回收效果，影响工程的整体经济性，因此保温效果至关重要。根据上述保温厚度测算：

1)长输管道散热损失。

供水管道对于供热效果影响较大，回水管道由于可以通过乏汽加热弥补温度损失，因此仅计算供水管道热损失。按上述保温结构，管道热损失不超过65 W/m2，供水管道输送热损失约1%。

2)管道表面温度计算。

根据上述数值计算，管道表面温度仅比环境温度高3 ℃～4 ℃。

7 其他技术要点

供热管道敷设方式采用无补偿冷安装直埋敷设方式，无补偿冷安装中锚固段管道轴向力较大，在温度和压力变化过程中，应力集中引起的峰值应力，应力集中通常发生在管路附件(如弯头、折角、三通、阀门等)处。因此，在管道折角处，采用大曲率半径的弯管进行处理，可大大减少折角的应力集中，避免为保护折角设置大量的补偿器和固定墩，提高了管网的可靠性和安全性，减小了施工难度，加快了施工进度和大大减小了工程造价，是目前处理小折角最先进的设计工艺，进一步提高了无补偿冷安装的设计理念。

8 结语

大口径供热管线设计本着符合城市总体规划及热力规划，切实结合城市建设发展特点[3]，统筹安排合理设计方案，技术先进，环保可靠，节能要显著，降低工程造价，加快工程进度，城市发展进一步作出贡献。