對城建標準/T 81—98摩擦系數相關條文的修訂建議

摘 要

摘要：介紹了EN13941標準對直埋供熱管道管線區摩擦層周圍回填材料的技術要求及對應的摩擦系數，有別于我國現行標準CJJ/T 81—98《城鎮直埋供熱管道工程技術規程》的相關規
摘要：介紹了EN13941標準對直埋供熱管道管線區摩擦層周圍回填材料的技術要求及對應的摩擦系數，有別于我國現行標準CJJ/T 81—98《城鎮直埋供熱管道工程技術規程》的相關規定。我國近年來進行的相關試驗結果也證明了EN13941標準的正確性，建議對CJJ/T 81—98的相關條文進行修訂。
關鍵詞：回填材料；級配；摩擦系數；直埋供熱管道
Suggestions for Revising Related Clauses of Friction Coefficient in CJJ/T 81—98
LIANG Yabin
Abstract：The technical requirement and corresponding friction coefficient of backfill material around friction layer for directly buried heat-supply pipeline in EN 13941 are introduced.They are different from the relevant provisions of Chinese current standard Technical Specification for Directly Buried Heating Pipeline Engineering in City(CJJ/T 81—98).The correctness of EN 13941 has been proved by the experimental results carried out in China.It is suggested that the related clauses in CJJ/T 81—98 should be revised.
Key words：backfill material；gradation；friction coefficient；directly buried heat-supply pipeline
1 回填材料的選擇
    直埋供熱管道管線區摩擦層周圍回填砂與回填土比較，回填砂可增大支撐管頂的剛度，以減小保溫管道的受力，延長保溫管道的壽命。回填砂還可起到以下作用：減小壓力、消除應力集中、起均壓作用。
    在EN13941:2003標準中，對直埋供熱管道管線區摩擦層周圍回填材料的選用有明確的技術要求[1]：級配：最大粒徑≤32mm；粒徑≤0.075mm，以重量計不得超過10%；粒徑≤0.02mm，以重量計不得超過3%。純度：材料不應含有植物殘余物、腐殖土、軟土或泥塊等有害成分。顆粒形狀：應避免采用有可能損害管道和接頭的銳緣大顆粒。摩擦系數：在仔細夯實條件下，材料組分應達到安裝設計所規定的摩擦系數。夯實：材料的摩擦系數以標準葡氏值為依據，平均為97%～98%，不能低于95%，要求仔細地并均勻地夯實。
    上述技術要求可理解為：回填材料的級配90%以上應該是較均勻的中砂。由于細砂所占的比例很小，就明確排除了完全采用砂質粉土的可行性。在回填材料的純度上不應含有軟土或泥塊等有害成分，也同時明確地排除了回填粉質黏土的可行性。
    上述技術要求僅限于溝槽管線區的摩擦層，而管線區上部的承壓層則不受此規定的限制，允許回填溝槽開挖出來的合適物料(即過篩細土)。
    必須指出的是：在直埋供熱管道管線區的摩擦層回填砂可起到保證摩擦條件及滲透排水的作用，如果回填的是土，直埋供熱管道(表面溫度通常為50℃)將加熱含水分的泥土，隨著水分的蒸發，干燥的泥土將形成較硬的空殼，使管道失去摩擦約束，管道的熱伸長量加大，從而加大管件的應力水平或使補償器產生過量的位移，從而威脅直埋供熱管道的安全。顯然，我國現行標準CJJ/T 81—98允許采用“粉質黏土”或“砂質粉土”作為回填材料的規定有待商榷。
2 摩擦系數的確定
    CJJ/T 81—98《城鎮直埋供熱管道工程技術規程》給出的保溫管外殼與土壤間的摩擦系數，對于中砂與粉質黏土、砂質粉土的差別不是很大，只區別在最小摩擦系數的取值：中砂為0.2，粉質黏土、砂質粉土為0.15。
   根據EN13941標準對回填材料級配的規定，排除了完全采用粉質黏土、砂質粉土的可行性，因此只需保留CJJ/T 81—98關于中砂的摩擦系數即可。這與EN13941標準給出的摩擦系數是一致的，而且與近年來太原地區進行的試驗結果也是吻合的。
   太原理工大學與太原市熱力公司聯合進行砂箱實驗臺測試(利用機械力模擬熱膨脹力的實驗方法)，并進行工程現場測試摩擦系數(按照工程實際管頂埋深及管線區的摩擦層回填砂的條件進行測試)。經過測試所得的最大摩擦系數是砂箱實驗得出的結果。而在工程實際中，直埋供熱管道首次熱膨脹時摩擦系數最大，但首次升溫供水溫度也較低，摩擦力小，當水溫達到額定最高溫度時，過渡段管道已經歷多次熱伸長移動，雖然運行溫度高，但管段平均摩擦系數小，其最大摩擦系數已有所下降[2]。
    現行標準CJJ/T 81—98中規定了高密度聚乙烯或玻璃鋼作為保護殼的聚氨酯保溫管與中砂的最大摩擦系數為0.4，最小摩擦系數為0.2。在受力分析中取最大摩擦系數為0.4，在選用補償器中取最小摩擦系數為0.2，這樣在兩方面都是安全的。
    EN13941標準給出的砂質土壤摩擦系數為：
    ① 長期移動取最小摩擦系數為0.2。是指對長期作用的供熱管道在降溫冷卻時會產生“隧道效應”，即加熱時管徑增加，可能導致摩擦力上升；而冷卻時管徑減小，可能導致摩擦力下降。在選擇補償器時應取最小摩擦系數為0.2。
    ② 常態移動取平均摩擦系數為0.3～0.4。是指對于低循環疲勞分析(溫度變化比較小)，大多數情況下取0.4比較合適。
    ③ 首次升溫時的短期作用取最大摩擦系數為0.6。屬于過渡狀態，不能作為設計計算的依據。
    EN13941標準給出的應用條件與近年來國內進行的摩擦系數實驗結果基本相同。
3 修訂建議
    ① EN13941標準與CJJ/T 81—98標準給出的最小摩擦系數0.2是一致的。是屬于長期作用下，埋設在級配良好土壤的大管徑管道，當冷卻時由于隧道效應使摩擦系數減小所致，是作為選用補償器的條件。
    ② CJJ/T 81—98標準給出的最大摩擦系數0.4，是基于砂箱實驗臺連續機械推拉9次，直至摩擦推力趨于穩定下獲得的，它相當于EN13941標準給出的常態移動下平均摩擦系數0.4(即供水溫度達到最高的條件下)。因此，現行標準CJJ/T 81—98中的“最小過渡段長度”及“最大軸向力”宜改為“平均過渡段長度”及“平均軸向力”。
    ③ EN13941標準給出的最大摩擦系數為0.6，是發生在首次升溫時的短期作用。此時的供水溫度較低，熱伸長量較小，軸向摩擦力也并非最大，屬于過渡狀態，該摩擦系數不能作為設計計算的依據。因此不存在摩擦系數為0.6下的最小過渡段長度和最大軸向力。北歐采取在預制保溫管外纏繞一層塑料膜的方法，以降低摩擦系數。
    ④ 相應取消CJJ/T 81—98標準中回填材料采用“粉質黏土”、“砂質粉土”的相關條款。
參考文獻：
[1] British Standards Institution.EN13941:2003 Design and installation of preinsulated bonded pipe systems for district heating[S].London：Standards Policy and Strategy Committee，2003.
[2] 王飛，張建偉.直埋供熱管道工程設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2007：30-35.
 
(本文作者：梁雅濱 中國市政工程華北設計研究總院 天津 300074)