直埋供热管道敷设方式节能性分析

直埋供热管道敷设方式节能性分析

葛洋

天津西岸能源建设发展有限公司天津300204

摘要：随着我国城市化的快速发展，供暖需求越来越大。目前，我国城市供暖的主体是集中供暖，因此，加强对直埋式供暖管道的节能设计研究是非常重要的。本文针对这一问题，着重对直埋式供暖管道的节能性问题进行了探讨，以期对其有一定的借鉴意义。

关键词：直埋敷设;供热管道;节能性

前言：根据铺设网络的位置，将城市供暖网络的铺设分为地面铺设和地面铺设。地上铺设又称架空铺设，是将供暖管线铺设在独立的支撑或建筑上，这种铺设方式结构简单，维修方便，工程造价低，但其热量损耗比较大，且不美观。因此，目前国内的城市供暖系统都是以地下铺设为主，其铺设形式可分为地沟式和直埋式两种。地沟铺设是将管线铺设在沟渠内，管线自身不受外部荷载的影响，但采用铺设地沟的方法，其工程量大、工程成本高、施工周期长。直埋是将管线直接埋入地下，不需要铺设地沟，与传统的地沟铺设方法相比，具有成本低、占地少、施工快等特点，同时，它还以聚氨酯硬质泡沫为绝缘层，HDPE为管材，其特点是热损耗小，防腐效果好，寿命长。所以，在国内，直埋式铺设已逐渐代替了传统的地沟式，成为了城市供热管道的主要铺设形式。

1直埋供热管道敷设方式概述

1.1无补偿冷安装

无补偿冷安装作为直埋敷设方式的一种，在实际的应用中起到有效的节能效果。由于该技术主要通过深埋的方式让管道与土层之间产生摩擦，不需要加入预应力，这使得供热管道在受热状态下产生的热拉长受到限制。但是由于土壤和管道之间存在一定摩擦，这会造成管道铺设过程中出现锚固段和滑动段两种情况，即当管道供热时，位于锚固段的地方会将热胀应力全部转变为温度应力，如此就造成管道承受在运行状态下的轴向应力，在实际的计算当中，管道所受的相关应力与温度变化成正比[1]。反之，对于滑动段的管道，不会像锚固段一样将热胀应力全部转变为温度应力，所以管道会出现拉长的情况。

1.2敞沟预热安装

相对比前一种敷设方式，敞沟预热安装敷设方式首先需要对管道进行预热处理，在预热温度达到标准规范后，进行后续的回填操作，确保敷设工作的有序进行。对于该种直埋敷设方式而言，管道在实际的铺设中一旦环境温度和预热温度达到相同时，其所受的热应力会变为0。而如果在这一过程中，环境温度大于管道预热温度时，此时供热管道会受到一定的压力，产生负载;当环境温度低于管道预热温度时，此时供热管道会受到一定的拉力作用。相对比其他敷设方式，敞沟预热安装敷设可以有效降低资源消耗，即降低了敷设过程中补偿器的使用量，最终有效降低成本投入，同时对比于无补偿冷安装敷设，敞沟预热安装使得管道所能承受的应力更大，对于一些直径较大的供热管道敷设具有重要的优势和意义[2]。

2直埋供热管道敷设方式节能性探究

2.2敞沟预热安装节能性分析

从上述分析可知，敞沟预热安装敷设方式可以有效节省预热管道的补偿器，以此大大降低了工程成本投入。根据实验分析可知，敞沟预热安装的最大压应力为无补偿冷安装压应力的1/2，同时管壁局部屈服的危险性大大降低，这对于大口径供热管道安装而言提供了巨大的便利和优势。但是需要注意的是，敞沟预热安装过程中最大压应力与温度之间还是存在一定的关系，因此，也不可避免地存在最高温度值。总体而言，敞沟预热方式对大管径或小管径的供热管道普遍适用，同时在满足管道局部不失稳的情况下，需要校合管道的壁厚，预热安装时管道的壁厚也比冷安装的要求低[3]。

2.3有补偿敷设

常见补偿器有自然补偿器、波纹管补偿器、套筒补偿器及球形补偿器。其中自然补偿器与波纹管补偿器是利用材料的变形来吸收热伸长量，套筒补偿器和球形补偿器是利用管段位移来吸收热伸长量。通过设置补偿器能够有效防止供热管道升温时产生热应力的作用而引起管道变形或破坏。但增设补偿器也有其不可避免的弊病，首先由于增设补偿器，增加了供热管网的初投资。其次采用补偿器取代管道，本身就形成了管道的危险点，增加了管网的事故率。因此，在供热管网的设计中，应当科学地进行应力验算，尽量减少补偿器的设置，没有必要使整个管网都处于有补偿管段，这样既减少了管网出现事故的概率，同时也降低了管网的工程造价。

2.4无补偿敷设

无补偿敷设方式在严格执行现行规范应力验算方法的前提下，既保证管道可以安全运行，又比有补偿敷设节约初投资15%左右，同时运行维护工作量大大减少，管道由于补偿器处发生的事故率也大大降低。目前，我国供热管道应用无补偿敷设方式可采用冷安装与预应力安装两种。冷安装是管道焊接与管沟回填过程都处于自然环境温度，这样在管道安装时管道处于零应力状态，在管道运行时运行温度与安装温度温差较大，无补偿管段的热应力较大。是目前最常用的供热管网敷设方式，广泛应用低温供暖系统及地势平坦、地下障碍物少、分支较少的高温供暖系统。预应力安装是目前较为先进的直埋管道敷设技术，在管道安装过程中将预制保温管的工作钢管进行预热，当管道达到设计预热温度和热伸长量之后再进行回填，安装时的预热过程使管道通过热伸长提前释放热伸长量，从而降低管道在运行时的轴向应力，从而提高管道运行时的稳定性和安全性。

3直埋敷设方式的应力验算

3.1弹性分析法

按第四强度理论—变形能强度理论进行应力验算。这种分析方法认为管道只能在弹性状态下工作，不允许出现塑性变形，管道出现塑性变形即产生破坏。

3.2弹塑性分析法

采用安定性分析原理，按第三强度理论—最大剪应力强度理论进行应力验算。按此方法计算，管道容许有限量的塑性变形，管道可在弹塑性状态下运行。目前我国现行《CJJ/T81-98城镇直埋供热管道工程技术规程》采用弹塑性分析法进行管道应力验算。

4直埋敷设蒸汽管道的保温节能

4.1保温要求

由于直埋敷设蒸汽管道有输送高温蒸汽和直埋敷设要求，所以有这几点保温要求：

4.1.1必须隔绝钢管和保温材料，在设计时要考虑保温材料要使用不同材质的；

4.1.2除对保温材料要求的基本直埋管道要求外，还要求有极高的防水防漏功能，以便管道大幅度提高其安全性和运行的可靠性；

4.2保温材料性能的要求。

4.2.1选择憎水性吸水率小的材料制作无机保温层，但由于管道导热系数和抗压强度一低一高，所以采用憎水岩棉和玻璃棉这两种材料最佳；

4.2.2因有机保温层必须进行整体铸造，以防止出现焊缝现象，促进无机保温层和外保护管相互衔接，所以，该保温层最佳采用材料为憎水聚氨酯泡沫塑料；2.2.3为确保整体防水性能和保温性能显著性的提高，最好采用钢套钢结构的外套管，且采用多层防腐结构做管道防腐层，可实现防腐节能效果；

4.3保温层厚度计算依据

计算直埋蒸汽管道保温层厚度的经济性算法并非常规算法，其计算应当基于管道及土壤传热性计算。通过分析直埋蒸汽管道传热机理，发现影响保温厚度计算的因素有这几点：土壤不同的性质；直埋敷设管道的深度；各种钢管的规格直径；各类保温材料的效果和性能；以及传输蒸汽时最高的蒸汽温度。

结语

综上所述，当前我国城市供热管道敷设中主要以直埋敷设为主，而对于该敷设方式而言，由于种类较多，在实际的应用中，除了要考虑各自的优势和特点外，还需要合理地分析每一种敷设方式的节能性要求，确保在符合既定要求的基础上有效满足节能性需求，最终为促进我国城市集中供热水平奠定基础。

参考文献

[1]王振华.管廊供热管道保温材料及其厚度的研究[D].太原：太原理工大学，2018.

[2]孟军.供热管道直埋敷设方式探讨[J].山西建筑，2016，42（25）：131-132

[3]杨远.直埋供热管道无补偿敷设技术[J].中国科技信息，2019（24）：51-52.