摘 要

摘　要：對架空供熱管道的設(shè)計要點進(jìn)行探討，包括：管道凈高、保溫材料選擇、保護(hù)層設(shè)計、補(bǔ)償器選擇、旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器旋轉(zhuǎn)臂最小長度及最佳安裝角、活動支架允許間距、滑板長度設(shè)計。

摘　要：對架空供熱管道的設(shè)計要點進(jìn)行探討，包括：管道凈高、保溫材料選擇、保護(hù)層設(shè)計、補(bǔ)償器選擇、旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器旋轉(zhuǎn)臂最小長度及最佳安裝角、活動支架允許間距、滑板長度設(shè)計。

關(guān)鍵詞：架空敷設(shè)；  供熱管道；  設(shè)計要點

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)力驗算比較簡單，在保溫計算與水力計算方面也沒有太大差別，但目前在架空供熱管道的設(shè)計上存在諸多問題。本文對架空供熱管道的設(shè)計要點進(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)語標(biāo)準(zhǔn)》分別對低支架、中支架、高支架供熱管道保溫結(jié)構(gòu)底面距地面凈高(以下簡稱凈高)進(jìn)行了說明，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。

我國現(xiàn)行的CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(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，便于運行管理?；谶@樣的理解，加之CJJ 34—2010也未作過多限定，因此我國多采用低支架的安裝方式。事實上，在實際運行管理中，低支架供熱管道存在的問題遠(yuǎn)比中高支架多，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

①安全問題。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，管道周圍易燃物著火極易將保護(hù)層燒壞，需定期清理低支架供熱管道周圍的雜草及其他易燃物。

③影響人畜無規(guī)則通行。實際上，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，還存在燙傷的危險。

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。我國現(xiàn)行的JTJ B01—2003((公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》在對公路設(shè)計所采用的設(shè)計車輛外廓尺寸的規(guī)定中要求：車輛總高度限定在4m以內(nèi)。由此可知，架空供熱管道與車輛的安全距離為0.5m，理論上可以接受。然而，0.5m的安全距離在實踐中卻存在問題。

為獲取較高收益，有不少大型貨車存在超高情況，而且屢禁不止。很多大型貨車的裝貨高度超過4m，輕易就達(dá)到了4.5m，導(dǎo)致架空供熱管道被大型貨車撞壞的情況時有發(fā)生。根據(jù)我們的經(jīng)驗，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、一級公路二級公路的凈高應(yīng)為5.0m，三級公路、四級公路的凈高應(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)計不合理，易造成架空供熱管道造價高及維修量大。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，整體造價要高出很多。過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)計重點。

2.1　保溫材料的選擇

對于低支架供熱管道，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、價格合理且有一定韌性的硬質(zhì)保溫材料為微孔硅酸鈣。

對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

對于低支架供熱管道，當(dāng)采用硬質(zhì)保溫材料時，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。

對于中高支架供熱管道，當(dāng)采用輕質(zhì)保溫材料時，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)，雖然造價較高，但使用壽命長，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)償器的種類多，很多設(shè)計者對于架空供熱管道補(bǔ)償器的選取無從下手。目前，突出的問題是在架空供熱管道上采用了無推力套筒補(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)對固定支架產(chǎn)生的推力。但當(dāng)無推力套筒補(bǔ)償器伸縮時的摩擦力較大時，易出現(xiàn)管道將固定支架推動了，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)償器的造價都比較高，且無推力套筒補(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，管道內(nèi)壓對固定支架產(chǎn)生的推力F的計算式為：

F=Ap    　　　　　　　(1)

式中F——管道內(nèi)壓對固定支架產(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)計壓力為1.6MPa，強(qiáng)度試驗壓力(為設(shè)計壓力的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)可計算得到，強(qiáng)度試驗時管道內(nèi)壓對固定支架產(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)計壓力高一個壓力等級的補(bǔ)償器。若選用波紋管補(bǔ)償器，高一個壓力等級，造價將高出許多。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)償器的價格低，不易泄漏，更安全可靠。綜上所述，對于架空供熱管道，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器是最優(yōu)選擇。

對于方形補(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，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明書上并沒有限制旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器轉(zhuǎn)角，但實際上，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的轉(zhuǎn)角(安裝角的2倍)不宜過大，應(yīng)限制在40°以內(nèi)，否則會帶來兩個問題：一是造成管道擺動過大，二是易造成補(bǔ)償器轉(zhuǎn)角過大導(dǎo)致泄漏。旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器布置在兩個固定支架中間位置時的工作原理見圖l。為補(bǔ)償管道的熱伸長量，又不使得旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器出現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)角和擺動，需限定旋轉(zhuǎn)臂最小長度及最佳安裝角。

 

旋轉(zhuǎn)臂最小長度Lmin的計算式為：

 

式中Lmin——旋轉(zhuǎn)臂最小長度，m

DL——管道的熱伸長量，m

最佳安裝角q的計算式為：

 

式中q——最佳安裝角，rad

L——旋轉(zhuǎn)臂實際長度(應(yīng)大于等于Lmin)，m

4　活動支架允許間距

4.1　長直管道活動支架

CJJ 34—2010沒有給出架空供熱管道活動支架允許間距的詳細(xì)計算方法，也沒有要求在計算活動支架允許間距時考慮剛度條件。在計算活動支架允許間距時，可參照DLT 5366—2006((火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計算技術(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％計算，按強(qiáng)度條件校核的活動支架允許間距仍滿足剛度條件^[8]。

關(guān)于按強(qiáng)度條件確定活動支架允許間距的計算，一些文獻(xiàn)給出了不同的計算方法。文獻(xiàn)[9]給出的計算式為：

 

式中Lmax——活動支架的允許間距，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度的計算重量，N／m

而文獻(xiàn)[10]給出的計算式為：

 

式中sall——管材在計算溫度下的許用應(yīng)力，MPa

式(2)、(3)都不是參照DLT 5366—2006推導(dǎo)出來的計算式，筆者參照DLT 5366—2006推導(dǎo)出來的較準(zhǔn)確計算式為^[8]：

 

式中Do——管子外直徑，mm

Di——管子內(nèi)直徑，mm

Pd——設(shè)計壓力，MPa

4.2　轉(zhuǎn)角附近活動支架

轉(zhuǎn)角附近活動支架的最大允許間距為長直架空供熱管道活動支架最大允許間距的81．6％，在實際工程中，可圓整為80％^[11]。

5　滑板

與活動支架滑托接觸的滑板見圖2?；惺庆o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動。對于旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器設(shè)置在靠近一側(cè)固定支架的管段(見圖3)，每個活動支架處管道的熱伸長量、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，這使得每個活動支架處的滑板設(shè)計長度均不同。由于滑板越短，造價越低，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量的滑板長度L1的計算式為：

L1＝1.1aDtLg

式中L1——用于滿足管道熱伸長量的滑板長度，m

a——管材的線脹系數(shù)，K^-1

Dt——管道工作循環(huán)最高溫度與管道計算安裝溫度之差，℃

Lg——滑板所在活動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度L2的計算式為：

L2＝1.1aDtdLg

式中L2——用于滿足管道冷收縮量的滑板長度，m

Dtd——管道計算安裝溫度與室外最低溫度之差，℃

若L1、L2這兩個關(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，往往造成滑板長度設(shè)置不合理，從而導(dǎo)致滑板脫落。特別是當(dāng)L2過小時，若架空供熱管道在夏季施工，到冬季正式運行前滑板就已經(jīng)脫落?；迕撀湓斐傻暮蠊菍⒅Ъ芡频?，非常嚴(yán)重。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]梁豐，高百爭．旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器一些布置方法的幾何性質(zhì)[J]．區(qū)域供熱，2010(4)：66-69．

[2]杜永紅．套筒補(bǔ)償器在熱網(wǎng)的應(yīng)用[J]．煤氣與熱力，2009，29(1)：A10-Al2．

[3]郭平．旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在熱力管道上的應(yīng)用[J]．煤氣與熱力，2009，29(5)：Al3-Al6．

[4]蘇紅鄉(xiāng)，張敬亭，張延杰．鉸鏈波紋管補(bǔ)償器在架空供熱管道的應(yīng)用[J]．煤氣與熱力，2010，30(1)：Al2-Al5．

[5]王強(qiáng)．軸向型波紋管補(bǔ)償器在架空熱力管網(wǎng)的應(yīng)用[J]．煤氣與熱力，1996，16(3)：70-72．

[6]張俊紅，韓飛．球形補(bǔ)償器在過熱蒸汽管道上的應(yīng)用分析[J]．煤氣與熱力，1998，18(1)：61-64．

[7]鄧曾祿．套筒補(bǔ)償器摩擦力的求法[J]．管道技術(shù)與設(shè)備，1999(4)：5-7．

[8]高百爭．按強(qiáng)度條件確定供熱管道活動支架的允許間距[J]．區(qū)域供熱，2010(3)：4-9．

[9]賀平，孫剛．供熱工程[M]．3版．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993．

[10]李善化，康慧．實用集中供熱手冊[M]．北京：中國電力出版社，2007．

[11]梁豐，高百爭．架空供熱管道轉(zhuǎn)角附近活動支架的允許間距[J]．煤氣與熱力，2010，30(8)：A22-A24．

 

本文作者：張羨洲  高百爭

作者單位：中國平煤神馬集團(tuán)陽光物業(yè)有限公司