地下综合管廊中热力管道设计
□□ 曹家豪 (山西省城乡规划设计研究院有限公司，山西 太原 030000)
2022年5月底，国务院印发的《关于印发扎实稳住经济一揽子政策措施的通知》(国发〔2022〕12号)中提出“因地制宜继续推进城市地下综合管廊建设”。6月15日再次强调地下综合管廊是城市“里子”工程，投资潜力大和带动能力强，是一举多得的代表性项目。“十四五”期间，地下综合管廊建设仍将持续向前推进，进一步释放基础设施投资的乘数效应拉动经济增长。地下综合管廊(以下简称“管廊”)的建设再一次提上日程，管廊内热力管道一般管径较大，设计难度较高，设计时更需要与相关专业相配合。现以某市主干道下三舱管廊为例，对管廊中热力管道及配套设施设计进行探讨。
某城市主干道管廊南起文丰四路，向北敷设至纬十路，全长为13.5 km，为综合舱、燃气舱和电信舱的三舱布置，包含管廊本体工程、入廊给水管线、入廊热力管线、入廊燃气管线、入廊污水管道和监控中心等部分，工程总投资约为225 016.17万元。
1.1 平面设计
为了避免管廊的检修维护工作对道路交通造成的影响，同时为了尽快实施管廊建设，减少拆迁，拟将管廊放置于道路东侧的侧分带、非机动车道及人行道下，如图1所示。
图1 管廊布置图
1.2 竖向设计
管廊的埋深直接影响到项目总投资，大埋深会引起造价的升高。管廊埋深的确定与两因素有较大关系：一是管廊顶部的通风、配电和支线管廊等设施，如果风机和配电设备安装在地下，净空一般为2.0 m，加上顶板及路面埋深至少在3.0 m；
二是预留横穿管线的空间，一般为3.0 m左右。
考虑到综合管廊建成后，所有的市政管线均引自管廊内主管线，因而不需要考虑市政管线的横穿影响，主要考虑管廊附属设施的影响。此次管廊设计顶部设置了风机和配电设备，需要设计设备夹层，考虑到设备夹层所需高度、夹层顶板厚度和路面结构层等确定管廊顶部覆土为3.0 m。
1.3 断面设计
入廊管线为给水DN200管线，热力管为2×DN800，10 kV电力管24～32根，电信管线(5排支架)，燃气DN500管线，污水DN400-DN1000管线，预留中水管道DN200管位1个，预留输水管道DN400和DN800各1条。
根据确定的入廊管线，综合确定管廊为三舱布置，尺寸为12.15 m×4.30 m，如图2所示。燃气管道单独成舱，位于管廊中间，净尺寸为1.90 m×3.30 m，热力管道、再生水管道和污水管道组成综合舱，位于管廊最西侧，净尺寸为5.75 m×3.30 m；
电力、通信、给水管道成舱，位于管廊最东侧，净尺寸为2.60 m×3.30 m。
图2 管廊断面图
2.1 热媒参数及热网布置
依据前期勘察报告，该工程热媒参数为120/60 ℃热水，设计压力等级为1.6 MPa。热力管网布置采用闭式双管制，支状布置。热力管网供、回水管道并排布置在综合舱内，供水管布置在西侧，距离综合舱西侧的管廊内壁2 150 mm；
回水管布置在东侧(上侧预留1根输水管道DN800)，距离综合舱栋侧的管廊内壁1 000 mm。管径分布如下：
K0+102～K1+140：DN800，1 038 m；
K1+140～K2+100：DN350，860 m；
K2+100～K5+500：预留热力管道位置；
K5+500～K13+600：DN800，8 100 m；
热力管道敷设于管廊内，纵向坡度与管廊相同。
2.2 安装及敷设方式
该地下综合管廊内热力管道均采用有补偿冷安装方式，管道工作循环最低温度为10 ℃。根据热负荷的使用性质及分布状况，结合当地规划管理部门批复的热力管道走向，管廊内热力管道采用支墩架空敷设，固定支架间距为100 m，滑动支架间距为15 m。
2.3 支管设置
该路段的供热主管沿南北方向敷设，当东西向需要设置分支管道处均设置分支管廊，以避免后期检修施工破坏路面。供热支管廊尺寸为3 600 mm×2 300 mm，支管廊底部相对于主管廊顶部平齐，支管廊向西延伸38.25 m，修筑出道路红线范围，进行供热管线过路，分支口共计17个。
2.4 水力计算
2.4.1水力计算公式
热力管道供回水流量计算见式(1)：
G=3.6×Q/(c×Δt)
(1)
式中：G——热力管道供回水流量，kg；
Q——计算热负荷，kW；
c——水的比热，取4.187 kJ·kg-1·℃-1；
Δt——在该工程中为120-60=60 ℃。
热力管道阻力损失计算见式(2)：
ΔP=(1+α)R·L
(2)
式中：ΔP——热力管道阻力损失，Pa；
R——管道比摩阻，Pa·m-1；
L——管道长度，m；
α——局部阻力损失与沿程阻力损失比值，主干线取0.2，支线取0.3。
2.4.2水力计算原则
(1)考虑后期发展的能力，尽量减少热力管道主干管的压力损失，主干管尽量选取较小的比摩阻，一般取30～70 Pa·m-1，适当加大支干线及末端热力管道的管径。
(2)为了提高整个供热系统的水力稳定性，防止水力失调，需增大热用户系统的资用压力，采取入口处设调节装置控制入口压力，留有较大资用压力余地，热力站入口未调节前资用压力可取0.10 MPa。
(3)热源内部建议留有一定的富裕压头，利于整个供热系统的稳定，热源阻力按0.15 MPa设计。
(4)该系统采用闭式双管系统，其供回水管道采取相同管径。
(5)支干管和支管选择按保证热力站资用压力，比摩阻≯300 Pa·m-1，流速控制在3.5 m·s-1内，采用控制支管阻力的方式确定管径。
经计算，K0+102.7～K2+100管道供回水阻力损失为71.8 kPa，K5+502～K13+600管道供回水阻力损失为726.7 kPa。
2.5 定压
系统定压应同时满足管网最高点不倒空和不汽化的要求。供热管网最高点高程为999.9 m，比热电厂高约50 m，120 ℃的汽化压力为17.6 m，并留有3～5 m的富裕，系统定压压力应≥17.6+3+50=70.6 mH2O。综合上述，供热系统定压压力取700 kPa。定压点设在循环水泵旁通管处，整个管网的压力等级按1.6 MPa设计。
2.6 管材及附件
2.6.1管材
热力管道选用外保护套为聚乙烯的预制直埋保温管。输送介质内钢管采用双面埋弧螺旋焊接钢管，材质为Q235B。保温层长期耐温为130 ℃，管道质量和外保护套质量必须符合GB/T 9711—2017《石油天然气工业 管线输送系统用钢管》的要求；
排气和放水管道管材选用无缝钢管，材质为20号钢，制造标准符合GB/T 8163—2018《输送流体用无缝钢管》。
2.6.2阀门
为便于管网的施工及事故检修，在主干线上一般1.0 km设置1个分段阀门；
在各支线的分枝处设关断阀。阀门选用焊接蝶阀，驱动装置为涡轮，阀口密封材质为金属双面硬密封，长期耐温为120 ℃，压力等级为1.6 MPa，需满足双向零泄漏的性能要求，使用寿命≮30年。安装前应检查阀门的完整性、严密性及正确的开关位置。阀体应采用整体锻造成型，所选用的蝶阀应符合GB/T 37828—2019《城镇供热用双向金属硬密封蝶阀》的要求，泄水和排气均采用球阀，压力等级为1.6 MPa；
热力管道泄水和放气管采用无缝钢管，就近接入舱室集水坑。
2.6.3弯头、三通及变径管
弯头：无论是纵向或水平接管，当接管角度>1°时，采用预制弯头。主干线转弯处采用大曲率半径的机制弯管R=(3～6)D，管道弯管的壁厚较管道壁厚增加1 mm。
三通：均采用跨越形式，为工厂预制，不允许现场制作，三通处应补强处理。
变径管：变径管为工厂预制，大小头的倾角≯20°。
弯头、三通及变径管管材、保温层和外护管要求均与热力管道一致。
2.6.4热力管道补偿器的选用
根据管线具体走向和位置，固定支架之间设补偿器。补偿器选用波纹补偿器，其补偿量为150 mm，耐温为150 ℃，承压为2.5 MPa；
安装时应预拉伸，预拉伸值为补偿量的50%；
为防止波纹补偿器失稳，在距补偿器12倍管道直径的范围内需设置导向支架。
2.7 管道应力分析
2.7.1管道壁厚得计算
工作管最小壁厚计算见式(3)：
δm=Pd×D0/(2[σ]×η+2Y×Pd)
(3)
式中：δm——工作管最小壁厚，m；
Pd——管道的计算压力，MPa；
D0——工作钢管外径，m；
[σ]——钢材在计算温度下的基本许用应力，MPa；
η——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——温度修正系数，可取0.4。
工作管的公称壁厚计算见式(4)：
δ≥δm+B
(4)
式中：δ——工作管的公称壁厚，m；
δm——工作管最小壁厚，m；
B——管道壁厚负偏差附加值。
经过计算后，入廊热力管道的各公称直径所选用工作管的壁厚，详见表1。
表1 热力管道规格及技术参数表
2.7.2整体稳定性验算
为了杜绝热力管道整体的失稳，直管段上的垂直荷载Q应满足式(5)：
(5)
式中：Q——作用在单位长度管道上的垂直分布荷载，为1 m预制保温管道自重，N·m-1；
γs——安全系数，取1.1；
Np·max——管道的最大轴向力，MPa；
f0——初始挠度，m；
E——钢材的弹性模量，MPa；
Ip——支管横截面惯性矩，m4。
主干管的支架间距控制为15 m以下，经过计算，热力管道可满足稳定性要求。
2.7.3转角管段的应力计算
弯管工作管的强度验算应满足式(6)和(7)：
σbt+0.5σpt≤3[σ]
(6)
σpt=Pd×rbi/δb
(7)
式中：σbt——弯管在弯矩作用下的最大环向应力变化幅度，MPa；
σpt——直埋弯管在内压作用下的弯管环向应力，MPa；
Pd——管道的计算压力，MPa；
[σ]——钢材在计算温度下的基本许用应力，MPa；
rbi——弯管工作管横截面的内半径，m；
δb——弯管工作管的公称壁厚，m。
对于有补偿架空敷设的热力管道，在弯矩作用下，弯管环向应力比较大，为了保证弯管的强度验算通过，计算校核后，建议采取措施如下：
(1)热力管道建议采用曲率半径为(3～6)D的弯管，这样可以减少应力集中，减小弯管在弯矩作用下的环向应力。
(2)在热力管道布置时，在条件允许的情况下，尽量采用自然补偿，局部热力管道的角度较小时，直管段比较长的拐弯处，可以选用大曲率半径弹性弯管连接两侧的直管段，从而可以减小转弯处的环向应力，保证热力管道的安全。
2.7.4管件的应力分析
根据经验，热力管道的事故多发生在三通、弯管、折角和变径管等管件处。究其原因多是峰值应力引起的塑性变形对钢管造成的损坏和损伤。热力管道运行时，温度和压力在不断变化，弯管、折角、变径管和三通等管件部位应力较为集中，峰值应力在很小的范围内产生循环塑性变形，当经过若干时间的运行后，管件均会发生疲劳破坏。为保证热力管道的安全，按照管道的使用年限和运行参数的变化，需进一步控制峰值应力的变化区间。
变径管均为预制同心变径管。为了防止峰值应力引起变径管的疲劳破坏，需要在距离变径管较近的大管径侧设置固定墩或将变径管设置在距补偿器一定距离内的直管段。
三通均为预制加强三通，三通壁厚均为其直管壁厚增加1 mm。跨越三通主管长度≥3.7倍的主管公称直径，支管长度≥1.8倍的支管公称直径，并且应该保证主管道在三通处的位移量<50 mm。
热力管道的阀门也承受轴向力，为保证热力管道阀门的安全，要求阀门能承受管道中轴向应力变化，并需焊接连接，同时尽量将阀门设置在靠近补偿器或固定墩处。
2.7.5应力分析计算
此次设计采用START-PROF应力计算软件4.79-R3版，执行标准为CJJ 34—2010《城镇供热管网设计规范》。
2.8 管道试压
管道系统安装完毕后，应按CJJ 28—2014《城镇供热管网工程施工及验收规范》中的规定对管道系统进行强度试验和严密性试验。为方便管道施工，管道安装可以结合施工现场分段进行试压，在整个系统安装完毕再进行总体试压。采用水做严密性试验，试验压力为2.0 MPa，稳压在1 h内压降≯0.05 MPa为合格；
采取分段强度试压。采用水做强度试验，试验压力为2.4 MPa，管道内的压力升至2.4 MPa，稳压10 min无渗漏和无压降，后降至1.60 MPa，稳压30 min无渗漏和无压降为合格。
2.9 管道支架设计
综合管廊内的热力管道用架空敷设，固定支架间距为100 m，滑动支架间距为15 m。每两个固定支架处的管道上设1个补偿器。固定支架采用混凝土支架来承受管道的水平推力。滑动支架和导向支架主要起支撑作用。支架长为1 000 mm，宽为1 200 mm，高为600 mm。支线小室(阀门井和补偿器井)等部分采用C20钢筋混凝土结构，小室预留人孔，孔径为800 mm；
阀门井和补偿器井长为5 400 mm，宽为5 100 mm，高为3 300 mm。
为了方便施工，管廊内敷设的热力管道，建议选用高密度聚乙烯外护管硬质聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管，也可根据工程情况选用保温球墨铸铁管。管廊断面设计时应充分论证断面形式，特别是敷设较大管径热力管道的热力舱，应经过比选优化后，选取合理的布置方式，从而尽量减小管廊的尺寸和断面；
热力管道建议以“自然补偿为主，补偿器补偿为辅”的方式，尽可能地减少补偿器的使用；
敷设热力管道的舱室在设计时应预留足够的补偿空间，以方便热力管道接入和引出；
管道阀门、补偿器、三通和弯管等管道附件应预留足够的操作及检修空间；
入廊的热力管道应与管廊本体结构设计同步进行，支架及其预埋件在施工过程中同步实施。