直埋热水供热管道摩擦力计算探讨

直埋热水供热管道摩擦力计算探讨2011-11-14赵志刚 门亚琨 杨宝锐摘要：根据CJJ/T 8198城镇直埋供热管道工程技术规程，给出单位长度直埋供热管道与土壤之间摩擦力的计算式。针对大管径(大于DN 500mm)管道，对计算式中，直埋供热管道外壳与土壤间的摩擦系数、管顶覆土深度的取值进行了探讨。结合实际工程，对以上两个参数取值，对DN 800mm管段进行设计计算，运行效果良好，降低了固定支座造价。关键词：直埋热水供热管道；摩擦系数；管顶覆土深度；摩擦力Discussion on Friction Calculation of Directly Buried Hot-water Heating PipelineZHAO Zhigang，MEN Yakun，YANG BaoruiAbstract：According to the Technical Specification for Directly Buried Heating Pipeline Engineering in City(CJJ/T 8198)the calculation formula of friction between per unit length directly buried hot-water heating pipeline and soil is given.The friction coefficient between directly buried hot-water heating pipeline shell and soil as well as the cover depth above top of pipe for large diameter pipeline of more than DN 500mm are discussed.The above-mentioned parameters of DN 800mm pipe are designed and calculated with an engineering example.The operation effect is good，and the cost of fixed supports is reduced.Key words：directly buried hot-water heating pipeline；friction coefficient；cover depth above top of pipe；friction1 概述近年来，热水供热管道的直埋敷设技术得到了广泛应用。随着国家节能减排政策的实施，集中供热成为趋势，直埋供热管道的管径也逐渐突破了CJJ/T 8198城镇直埋供热管道工程技术规程(以下简称规程)的限制，公称直径500mm的热水管道也越来越多地采用直埋敷设技术。直埋供热管道的摩擦力计算，大多是依据规程中的计算方法，然而在应用过程中，有一些计算问题值得探讨。2 摩擦力计算2.1 摩擦力计算式在直埋供热管道设计中，受力计算与应力验算是很重要的设计依据。在设计计算中，直埋供热管道与土壤之间的摩擦力计算是一项复杂的土壤力学问题。规程规定，单位长度直埋供热管道与土壤间摩擦力F的计算式为：式中F单位长度直埋供热管道与土壤间摩擦力，N/m 土壤密度，kg/m3 g重力加速度，m/s2 保温管外壳与周围回填砂土间的摩擦系数 Dc保温管外壳的外径，m h管顶覆土深度，m 由式(1)可知，在摩擦力计算中，摩擦系数与管顶覆土深度h为变量，二者的取值直接影响摩擦力的计算结果。2.2 摩擦系数 摩擦系数是计算摩擦力的基础数据，也是直埋供热管道设计的基础数据。过渡段长度的确定，热伸长量的计算，补偿器补偿量的计算，固定支座推力计算及直管、弯管应力验算等，都需要预先确定摩擦系数。 摩擦系数除了与回填砂土、保温管外壳的物理性质有关外，还受到施工中回填砂土的夯实程度、管道热伸长量、伸缩次数、供热介质温度、压力等的影响1。根据工程现场的实测数据，得出摩擦系数随管道热伸长量L、运行温度与安装温度之差t的变化，见图1、21。 由图1、2可知，“随L和t的增加而增加。规程给出了保温管外壳(适用于高密度聚乙烯、玻璃钢)与回填砂土间摩擦系数的取值范围，见表1。表1 规程给出的摩擦系数取值范围回填料中砂粉质黏土或砂质粉土最大摩擦系数0.400.40最小摩擦系数0.200.15 直埋供热管道首次运行时，由于土压力的作用，摩擦系数较大。随着运行温度的升高，管道热伸长是渐进式的，即从靠近补偿器的管段扩展到整个管段。管网运行初期，摩擦系数大，但由于t较小，热膨胀力小，固定支座受到的推力也小。当达到最高运行温度时，靠近补偿器处的管段已有过多次热伸长移动，此时土壤形成消力拱，管段摩擦系数将变小。 实际运行中，管道摩擦力理论计算结果往往大于实际情况，参考管道顶管施工中估算顶进力Ft(顶进力计算结果与规程中摩擦力计算结果等效)的经验公式2： Ft=nW (2)式中Ft顶进力，N n土质系数，对于能短期形成土拱的土壤，取1.52.0；对于不能形成土拱的土壤，取34 W被顶管段的全部重量，N 根据式(2)，对于相同管径的直埋供热管道，当n=4时，计算出的顶进力远小于根据规程取最小摩擦系数0.15计算得到的摩擦力。因此，摩擦系数受许多工程因素影响，还不能用一个简单的函数关系式准确表达，只能给出一个变化范围。2.3 管顶覆土深度 在供热管道直埋敷设时，管顶覆土深度要依据当地的地形测量图而定，且必须符合规程关于直埋供热管道最小覆土深度的要求。对于敷设在车行道下的公称管径500mm的直埋热水供热管道，为避免车辆荷载对管道构成的危害，规程规定的管顶最小覆土深度见表2。表2 车行道下直埋热水供热管道管顶最小覆土深度公称直径/mm50125150300350500管顶覆土深度/m0.81.01.2 在计算摩擦力时，由于土壤存在着消力拱的作用，规程规定，对于公称直径500mm的管道，保温结构断面较小，保温层又有较大弹性，因此管顶覆土深度超过1.5m时，仍按1.5m计算。 然而，当前许多供热工程的直埋供热管道已突破DN 500mm，超出了规程的限制。在设计中，管顶覆土深度超过1.5m的情况也很常见。土壤的消力拱作用需要根据不同管径和土质情况进行土壤力学分析，以判断管顶覆土深度为何值时出现消力拱作用，最后还应通过试验进一步验证3，然而我国缺乏相关试验数据。对于公称直径500mm的直埋热水供热管道，我们结合工程实践，当管顶实际覆土深度大于1.6m时，计算值可取1.62.0m。3 工程实例 工程概况北京市顺义区某供热管道工程，设计参数为：供热介质：热水，敷设方式：有补偿直埋敷设，设计供、回水温度：130、70，设计压力：1.6MPa，管道最大规格：DN 800mm。 参数取值分析该工程采用直埋供热管道，设计管径既有在规程限制范围之内的，也有超出限制范围的。对于公称直径500mm的供热管道，严格按照规程进行设计计算。对于公称直径500mm的供热管道，设计参数主要考虑摩擦系数和管顶覆土深度的选取。规程给出的高密度聚乙烯外壳与中砂的摩擦系数取值范围为0.200.40，摩擦系数取值越大，固定支座受推力越大，势必增加施工中的工程量及造价。摩擦系数的取值，直接影响到固定支座的推力计算。对于直埋敷设管道，规程规定在推力计算时，不考虑固定支座位移，但在管道及固定支座结构设计中允许其有微量位移，一旦位移产生，推力将大大降低。因此该工程在固定支座设计中，受力挡板与固定支座间设置10mm厚聚苯板，以减小固定支座受力。该工程的最大设计管顶覆土深度达到3.0m。结合其他工程的设计经验，经过专家论证，在既保证工程安全又最大限度地降低造价的前提下，在设计计算过程中摩擦系数取0.25；当管顶覆土深度超过1.6m时，计算值取1.6m。 经济性分析该工程公称直径500mm的供热管道单程长度为3590m，共设置10个固定支座，均为倒T型混凝土固定支座。按照以下两种方案对固定支座的造价进行计算比较：方案1：取0.25，h取1.6m；方案2：取0.4，h取实际管顶覆土深度。采用两种方案的固定支座造价比较结果见表3。单位体积混凝土造价为2000元/m3。由表3可知，在保证工程安全的前提下，仅固定支座一项，方案1即可降低造价100.8104元，经济效益显著。表3 两种方案的固定支座造价比较结果方案方案1方案2单个固定支座混凝土工程量/m319.4669.84固定支座造价/元3.8910413.97104 运行效果依据当地的地质条件，结合实际工程情况，对设计参数取值进行了突破。部分管段已投入运行1年，情况良好。