直埋热力管网经济性浅析

杨植

【摘  要】地下管网是重要的流体介质输送设备，以低廉的输送成本成为液体气体物质运送的首选。特别是市政基础设施更离不开各种管道的支撑，它给现代化的城市居住带来了一系列的便捷，为人类的幸福生活增添活力。城市基本建设中有相当一部分采用地下直埋管网，用此方法既有它的优势、还存在一些缺点，本文将重点从热力管网的用途、材质、施工工艺和后期的运营使用维护等方面进行分析探索地下直埋管网的经济性。

【关键词】管网材质;施工工艺;运行维护;新工艺新材料

前 言

地下管网作为市政的主要基础设施，它的能否安全稳定地运行直接影响着城市企业的正常生产活动和广大居民的便捷生活，为此作为城市的主管、经营和管理部门往往把地下管网看作是城市的重要组成部分。特别是地下管网产生泄漏与爆裂事故，会致使方方面面的用户收到严重的影响，带来巨额的财产损失，所以市政地下管网从设计、论证、施工是一件很严谨的工作，尽量做到科学、经济、合理、可靠的终极目的。

1各种地下管道用途

市政地下管网可谓名目繁多有给排水管道、热力管道、燃气管道、电力电缆管道、通讯信号及光缆管道等，这些管网相互交织与城市的地下，由于管道的用途各异加之施工建设的年代不同，特别是近二十年我国的科技力量与进步速度是人类历史的飞跃时期，历史悠久的老城市地下的管网设施各种各样的材质都存在，这些管网构成了一部管网材料发展史，本文重点对市政热力管网进行浅析，对其它管网不进行深入研究。

2地下管網材质与种类

地下管网材质有水泥管、陶瓷管、铸铁管、玻璃钢管、碳钢管、PVC管、PE管和PPR管其它复合材料管等。这些管道由于材质的各异其特性也不同，使用环境的差异也可导致管网使用周期的差异，类似直埋管网长期与潮湿土壤的接触会产生各种反应或腐蚀，致使其固有的性能下降，所以在设计时必须充分考虑其直埋后的使用寿命。

3直埋热力管网敷设工艺和经济性

管网直埋敷设简称直埋，指的是管道直接埋设于土壤下的敷设方式。直埋敷设与地沟或地下管廊敷设相比，具有如下特点：不需要砌筑地沟或建造管廊，土方量及土建工程量最少，施工进度最快，可节省管网建设的一次性投资资金，因为其施工成本造价低廉又是城镇公共事业的重要组成部分，所以直埋管网是市政基础设施建设的首选方案。随着城市化发展进程飞跃，集中供热加速发展，供热面积不断增大，对市政供热管道的直埋敷设技术要求也越来越高。如何使管网更好地节约成本，确保管网的安全、经济、稳定、可靠地运行成为供热行业内的重要研究课题。供热管道直埋就是将管道直接埋入地下，利用管道自身的机械强度及其附件来共同承受管道供热时产生的热应力。经过多年的实践分析与总结，为能够满足热力管网系统运行的安全性与可靠可靠性，千方百计地减少投资和维修方便经济的原则，在直埋热力管网的设计与敷设过程中必须重点考虑到下列因素：

1、热力管网的轴向热膨胀与应力

市政热力管网的设计压力一般为0.6～2.0MPa;通过对管道的应力分析，得到其中内部压力的实际应力远远小于管材的屈服应力值。由于管道的温升使管道产生了较大的轴向膨胀力和压应力相叠加，所以在直埋管热力管网设计中应予以进行全面的分析与计算，可得出管网在各种不同工况下的应力状态和具体的克服与消除办法，确保管网的安全性、经济性与可靠性。热力管网破坏方式主要有以下几种：

1）塑性变形。当温度变化时管道开始产生塑性变形，也就是通常所见的热胀冷缩基本原理，当产生较大的温度变化时，而热胀变形又不能全部释放时，在整个加热过程中，管道壁因轴向伸长的同时热应力就产生轴向塑性变形;管道而冷却时，管道壁因轴向拉应力而产生轴向拉伸塑性变形，当胀差差超过一定范围值后，便会出现管道破坏的现象。

2）疲劳破坏。指的是管道应力集中通的部位，通常发生在管网中的弯头、三通、大小头处等。这些位置在温度变化过程中，应力比较集中，在管道结构不连续处就产生应力峰值现象，会引起管道的疲劳破坏。

3）高循环疲劳破坏。具有一定重量的物体或车辆通过管道上方土壤时，部分重力与共振力可作用在管壁上，致使管壁局部截面瞬时产生椭圆变形，产生相对应力集中而造成管道破坏。

4）整体失稳。直埋热力管道在正常运行的情况下轴向压力最大，由于压力与杠杆效应，很可能会引起管网的整体失去稳定性。特别是承受温差较大的管道又无补偿器的安装方式，温升作用完全转化为很高的轴向压力，很容易出现整体失稳造成管道破坏。

5）局部失稳。一是管道的轴向应立变化，即受热膨胀变形的大小和热胀变形后的释放程度。二是从管道局部看，管道属于薄壁壳体，在轴向压力的作用下，管壁存在受压致使局部失稳。通过计算得出，管道局部失稳的可能性，是随着管壁的增厚而变小，因此相应的覆土厚度，必须对应一定的钢管临界壁厚。

从以上的破坏方式来衡量，热力管道的安全、稳定可靠运行与轴向应力有极大的关联，轴向应力最主要取决于温度应力。当管道直径大于DN500㎜时，管道局部的屈服值增大，为了降低局部的屈服值，必须对温度应力进行相应的控制，同时要根据不同的控制方式方法设计直埋管道的敷设方式。

无补偿直埋冷安装方式是最简单最经济的安装方式，即管道不安装设置补偿器。当管道加温时热胀应力全部转化为温度应力，使管道在运行中承受较大的轴向压力。如果压力无法得到有效的释放会致使管道破坏，一般不予采用。有补偿的直埋敷设，可以采用自然的U、Z、L、型的弯管作为补偿装置，在实际工程中利用阀门井或检查井提供一定的空间进行补偿，或者是采用补偿器进行补偿。对于应力相对集中的三通、弯头、大小缩头等连接处设置挠性连接来保护应力集中的管件。由于管道增加了补偿器和必要的挠性连接，管道的热胀变形在热态的时候得到了充分的释放，使得整个管道完全处于可滑移伸缩状态。因此管道的应力降到最低，管壁的局部屈服值降到最小，确保工程的设计方案在技术和经济方面安全合理。

2、管网材质因素

1）热力管网材质的选择

由于是直埋管网，管网的上方还存在着其他的设施，如果是因为管网的失效泄漏进行抢修，会造成很大的经济损失，为了管网不影响其他设施设计时要尽可能地将它的使用寿命延长，管网的材质性能至关重要，要选用强度高、耐磨损、耐腐蚀、易于焊接加工的金属材料用作直埋。如耐候钢，用于直埋是一种现阶段比较理想的管材。

与常用材质的对比

有缝钢管也是目前市政工程常用的管材之一，其特点是强度、塑性、韧性、焊接性、加工性都能够满足要求，但是唯一的缺陷是耐腐蚀性差，管道表面防腐层工艺不到位或受损，直埋在地下潮湿土壤环境下，极易由点到面产生腐蚀形成泄漏区域，由于采用地下直埋法施工，维修时需破坏覆盖层或其他设施，一旦泄漏维修费用高昂。

耐候钢，是在普通碳钢中加入铬、镍、铜、磷等微量元素后，使钢材表面形成致密和附着性很强的一层保护膜，阻碍锈蚀往里扩散，保护锈层下面的基体，以减缓其腐蚀速度。在锈层和基体之间形成的约50μm～100μm厚的非晶态尖晶石型氧化物层致密且与基体金属黏附性好，由于这层致密氧化物膜的存在，阻止了大气中氧和水向钢铁基体渗入，减缓了锈蚀向钢铁材料纵深发展，提高了钢铁材料的耐大气和水份腐蚀能力。并具有优质钢的强韧、塑性、焊割、磨蚀、成型、高温、疲劳等特性;耐候性为普通A3碳钢的2-8倍，涂装性为普碳钢的1.5-10倍。耐耐候钢是可减薄使用、裸露使用或简化涂装，而使制品抗蚀延寿、省工降耗、升级换代的钢系，也是一个可融入现代冶金新机制、新技术、新工艺而使其持续发展和创新的钢系。与不锈钢相比，耐候钢只有微量的合金元素，诸如铜、铬、镍、钼、铌、钒、钛等，合金元素总量仅占百分之几，而不像不锈钢那样，达到百分之十几，因此价格较为低廉。因此耐候钢管完全可以取代普通A3碳钢管。

2）管网施工关键环节的控制

直埋热力管网属于地下永久性设施，对施工要求比较严格，每个关键环节必须按照设计要求把控过程与质量，最为重要的是焊接环节，可视作管道质量的生命，如果焊缝不合格造成泄漏，不仅修复费用高而且管网停运还给热力用户带来巨大损失，所以必须按照焊接特种作业的要求，具有相应资质的焊工进行焊接并且严格执行耐候钢焊接工艺措施，使用抗大气腐蚀的填充金属焊材与母材一致的原则，应该确保焊缝本身的耐候性。在焊接之前，应该将已形成的表面层清除至接头边缘10mm到20mm的距离。可采取的主要措施有：（1）选用碱性焊条、焊剂。（2）合理安排焊接次序，减小焊接应力。（3）控制焊缝的形状，对接焊缝和角焊缝的外形应为微凸形，焊缝末端采用回焊收尾法，手弧焊和半自动焊接焊缝弧坑需焊满。（4）采用合理的焊接规范，适当减小焊接电流并提高电弧电压。焊后焊缝外观无焊接缺陷，符合国标要求。并且进行无损探伤和耐压检验。焊缝检验合格后进行归档。

3、管道的防腐保温

1）管道防腐

管道外层的防腐层能够有效地抵抗介质的氧化与腐蚀，特别是直埋于地下的管道可以延缓腐蚀期或不腐蚀的目的，增长管道使用寿命实现管网使用的经济性。直埋管道的防腐措施通常采用“三油五布”法工艺进行防腐处理，首先对管道外壁进行除锈标准达到Sa2.5级以上，除锈后迅速完成第一遍底漆的涂刷，待底漆干后再进行三油五布的防腐层，每加一道玻璃丝布刷一道环氧煤沥青，必須等其干后再进行下一道的防腐，做到外观平整无皱着和鼓包现象，玻璃布网孔全部被油漆灌满，厚度约为450 μm。防腐层做完后必须对其厚度、附着力进行检查，使用电火花检漏仪对防腐层进行电力化检查，检漏的电压为3000V，每项指标必须达到国标要求，确保防腐层的质量与防腐效果。

2）管道保温

直埋保温管道自三十年代聚氨酯合成材料诞生以来，一直作为一种优良的绝热保温材料而得到迅速发展，其应用范围也越来越广泛，

更由于其施工简便、节能防腐效果显著。各行各业都在应用。直埋保温管道钢套管的防腐蚀等级应根据当地土壤腐蚀性等级确定。当土直埋保温管壤的腐蚀性等级为高时，防腐蚀等级应考虑特加强级，当土壤的腐蚀性等级为中时，防腐蚀等级应考虑加强级，当土壤的腐蚀性等级为低时，防腐蚀等级应考虑普通级。因此直埋管网设计时一定要搞清楚管线敷设段土壤的腐蚀等级，以便防腐等级优化。

4、施工全过程监督因素

由于直埋热力管网是在地面以下，一般设计使用期限比较长，起码达50年以上的地下永久性设施，管网施工结束后是无法对其进行后期的维护与检修，因此管网施工时从挖沟深度、沟内垫沙厚度、管道的布局、焊接工艺、附件的安装、管道耐压实验、阀门井和检查井的设置、防腐和保温工艺和整体验收等等，在整个施工过程的每个环节都进行全过程监督，严格执行国家标准确保整体管网工程质量。

5、结束语

综上所述，直埋热力管网与地沟或地下管廊相比较是一种绝对经济的管网敷设方式是地沟敷设造价的40%，是地下管廊造价的20%左右，只要是直埋敷设从设计、施工、监理、验收各环节层层把关到位，也能确保管网在使用过程的安全、经济、稳定和可靠型。在管网设计和施工过程中尽量推广和应用新技术、新材料、新工艺，保障这种地下永久性设施的使用寿命，是一种造价低廉且能够满足使用条件的一种敷设方式。地下直埋热力管网完全可以采用耐候钢管，也很值得我们去探索和推广。

（作者单位：国家能源准格尔能源集团公用事业公司）