引言以宁夏华电灵武电厂向银川市长距离大温差集中供热项目为例，该项目采取吸收式热泵技术，实现大温差供热，项目一期供热规模约3 770万m2，高温网输送距离约42 km，设计供回水温度130 ℃/30 ℃，设计压力2.5 MPa。目前，我国大部分热电厂远离城市中心，为了实现热电联产集中供热，需在热电厂和城区之间建设长距离供热管道。对于长输供热管网，保证管网的安全性是供热系统稳定的关键因素，而供热管道材质及壁厚的选择是保障安全稳定性的关键因素之一。结合实际工程，对不同材质和壁厚的长输供热管道进行对比分析。1长输直埋供热管道材质的选择1.1管道材质的选择要求目前，我国长输供热项目的供热管道以直埋敷设为主，直埋敷设供热管道的热伸长补偿方式分为无补偿与有补偿方式[1]。有补偿直埋敷设可以采用自然的L形、Z形弯管作为补偿装置，但因实际工程中施工场地和条件有限，通常采用补偿器进行补偿。管道系统安装了补偿器，使得管线的热应力得到释放，管线未被完全锚固，因此管道的应力水平较低。但是管线输送距离过长时，整个管线需要设置多个补偿器和固定墩，导致管道的安装周期加长，投资增高，补偿器的安装维护工程量巨大，且日后系统运行时存在补偿器泄漏的安全隐患。无补偿直埋敷设的原理是安定性分析法[2]的基本原则。安定性分析法认为有限的塑性变形并不会使管道产生破坏，只有多次的循环塑性变形才会使管道产生疲劳破坏。安定性分析法一般通过观察管道在循环加载和卸载时产生的应变变化判断其是否处于安定状态。从应力方面分析，应力变化应控制在钢材的两倍屈服极限范围内，即管网的应力变化范围小于两倍的钢材屈服极限时，允许管网中存在锚固段。由于我国长输供热项目大部分采用无补偿冷安装的直埋敷设方式，供热管道工作钢管材质的选择较为重要。目前，城镇供热高温一级网管道要求管材应具有较高的力学性能、耐高温、易于切割和焊接、内壁光滑等性能，且管道均采用电弧焊或高频焊接钢管[3]。长输供热管道的设计可以参考输油管道，选用管线钢管和低合金钢钢管。主要执行标准包括《石油天然气工业 管线输送系统用钢管》（GB/T 9711—2017）[4]、《低压流体输送用焊接钢管》（GB/T 3091—2015）[5]、《输送流体用无缝钢管》（GB/T 8163—2018）[6]等。1.2管道材质的性能比较以宁夏华电灵武电厂向银川市长距离大温差集中供热工程（以下简称“工程”）为例，对长输供热管道材质的选择进行说明。工程采用无补偿冷安装直埋敷设方式，经过水力计算，长输管网的设计压力确定为2.5 MPa，设计供回水温度为130 ℃/30 ℃。在设计初期，选择Q235B、Q355B、L290和L360这4种在供热及石油天然气行业中常用的长输管道用钢材，并从管材力学性能和化学成分进行了比较[6-8]，Q235B、Q355B、L290、L360管材的力学性能和化学成分如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.022.T001表1Q235B、Q355B、L290、L360管材的力学性能和化学成分钢种力学性能化学成分/%屈服极限/MPa抗拉强度/MPa许用应力/MPa断后伸长率/%CSiMnSPQ235B225375125260.220.351.400.0450.045Q355B335490163200.200.501.700.0350.035L290290415138210.261.300.0300.030L360360460153190.261.400.0300.030由表1可知，Q355B的屈服极限为335 MPa，比Q235B和L290高，但比L360低一些；Q355B的抗拉强度比其他材质强很多。由于项目长输管网的设计压力确定为2.5 MPa，选择力学性能相对较好的Q355B(低合金钢)及L360（管线钢）钢管比常规Q235B及L290钢管抵抗一、二次应力的能力更好一些。2管道壁厚的计算与选择2.14种钢材的物理特性在设计参数下，Q235B、Q355B、L290和L360钢材的物理特性[3]如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.022.T002表2Q235B、Q355B、L290和L360钢材的物理特性物理特性Q235BQ355BL290L360弹性模量/×104 MPa19.819.719.819.8线性膨胀系数/[×10-6m/(m·℃)]12.412.112.412.42.2管道壁厚的计算根据《城镇供热直埋热水管道技术规程》（CJJ/T 81—2013）（以下简称“规程”）的要求，直埋供热管道工作钢管的壁厚除满足受压时不发生局部屈曲外，还应满足承受内压力作用的基本要求以及公称直径大于DN500的管道径向稳定性的要求[9-11]。（1）内压作用下管道壁厚的计算。δm=Pd×Do2[σ]×η+2Y×Pd (1)式中：δm——工作管最小壁厚，m；Pd——管道计算压力，MPa；Do——工作管外径，m；[σ]——钢材的许用应力，MPa；η——许用应力修正系数，无缝钢管取1.0，螺旋焊缝钢管取0.9；Y——温度修正系数，取0.4。工作管设计壁厚δ为：δ≥δm+B (2)B=χ×δm (3)式中：δ——工作管公称壁厚，m；B——管道壁厚负偏差附加值，m；χ——管道壁厚负偏差系数，取0.16。以DN1 400管道为例，分别得到Q235B、Q355B、L290和L360钢材对应管道在内压作用下的壁厚，如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.022.T003表34种钢材对应的管道在内压作用下的壁厚钢材种类计算壁厚Q235B20Q355B16L29018L36017mm（2）直管段局部稳定性验算（局部屈曲验算）。《规程》中第5.4节规定，土壤摩擦力约束热胀变形或局部沉降造成的高内直力的直管段不得出现局部屈曲、弯曲屈曲和皱褶，且公称直径大于500 mm的管道应进行局部稳定性验算，符合式(4)计算规定：D0δ≤E/4[α×E(t1-t0)+ν×Pd]+2×4[α×E(t1-t0)+ν×Pd]2-ν×E×Pd (4)式中：α——钢材的线性膨胀系数，10-6 m/(m·℃)；E——钢材的弹性模量，MPa；t1——管道工作循环最高温度，℃；t0——管道计算安装温度，℃；ν——钢材的泊松系数，取0.3。以DN1 400管道为例，对直管段局部稳定性进行验算，分别得到Q235B、Q355B、L290和L360钢材对应管道的壁厚，如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.022.T004表44种钢材对应的管道直管段局部稳定性验算下的壁厚钢材种类计算壁厚Q235B15.0Q355B14.4L29014.9L36014.9mm（3）径向稳定性验算。《规程》中第5.4节规定，承受较大静土压和机动车动土压的管道不得出现径向失稳，公称直径大于500 mm的管道应按式(5)进行径向稳定性验算：ΔX=1.728W×D0E(δ3/r3)+2 562 (5)ΔX≤0.03D0式中：ΔX——工作管径向最大变形量，m；W——管顶单位面积上总垂直荷载，kPa；r——工作管平均半径，m。以DN1 400管道为例，对管道径向稳定性进行验算，分别得到Q235B、Q355B、L290和L360钢材对应管道的壁厚，如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.022.T005表54种钢材对应的管道径向稳定性验算下的壁厚钢材种类计算壁厚Q235B10.5Q355B10.5L29010.5L36010.5mm2.3管道计算壁厚的对比根据《规程》的要求，一般直埋供热管道工作钢管的壁厚除满足受压时不发生局部屈曲外，还应满足承受内压力作用的基本要求以及公称直径大于DN500的管道径向稳定性的要求，将三者中的最大值作为最终的管道壁厚。以DN1 400管道为例，将3种计算结果进行对比分析，4种钢材对应的管道公称壁厚的选取如表6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.022.T006表64种钢材对应的管道公称壁厚的选取项目Q235BQ355BL290L360内压作用下计算壁厚20161817局部稳定性计算壁厚1514.414.914.9径向失稳计算壁厚10.510.510.510.5选取壁厚20161817mm由表6可知，在设计压力2.5 MPa，设计温度130 ℃工况下，内压作用是影响钢管壁厚选取的最大因素。此外，在相同的设计工况下，Q355B的计算壁厚最小。2.4不同材质管道价格对比以DN1 400管道为例，以工程施工时管道厂家提供的咨询价格为准，不同材质管道价格对比如表7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.022.T007表7不同材质管道价格对比工作管材质工作管外径/mm工作管壁厚/mm螺旋卷焊钢管单价/(元/t)折合为每米单价/(元/m)Q235B1 420204 0002 760Q355B1 420164 2002 327L2901 420184 3502 706L3601 420174 5002 646由表7可知，采用Q355B钢管的成本最低，采用Q235B钢管的成本最高。随着管道壁厚的增加，焊缝和热影响区外表面的环向残余应力随之增加。长距离管道不可避免地存在大量焊缝，环向残余应力的增加，再加上管道温度变化引起的应力叠加，会增加管道运行的安全风险。因此，在保证管网安全性的前提下，不建议选取过大的管道壁厚。从满足供热管道的安全、经济运行方面考虑，通过相同的计算方法得出以下结论：工作管管径小于DN800，管道材质选用Q235B；工作管管径大于等于DN800，管道材质选用Q355B。3结语以宁夏华电灵武电厂向银川市长距离大温差集中供热项目为例，对Q235B、Q355B、L290和L360钢材在供热行业中长输管道工作管中的应用进行对比，根据《城镇供热直埋热水管道技术规程》（CJJ/T 81—2013）的要求，对上述四种材质的工作管在本工程的设计温度和压力下进行壁厚计算，最终选出同时满足内压、局部屈曲和径向稳定性要求的管道壁厚。对四种材质对应的工作管造价进行对比，工作管管径小于DN800时，管道材质选用Q235B；工作管管径大于等于DN800时，管道材质选用Q355B。