固定墩与阀门井一体混合安装法
【专利摘要】本发明“固定墩与阀门井一体混合安装法”是用于地下直埋热水管道中的一项新技术，它把“固定墩”和“阀门井”两个具有独自功能的独立体结合在一起，它即是固定墩又是阀门井；这一新方法是通过把阀门井的一对穿管井壁按照固定墩的要求来做并加以改进，使其同时具有固定墩和阀门井的功能，阀门在井子里可以随时拆装而不破坏管道安装预热时产生的“内力”，从而解决了以前阀门不能拆卸的难题，也同时解决了以前阀门井由于管道过墙游动与穿墙管的缝隙无法封严而进水的问题。这一新工艺方法将为地下直埋热水管道的固定墩和阀门井的设计开创一条新路，有利于阀门的维修和更换，杜绝地下水的浸入、防水效果更可靠，大大提高管道的稳定性能力和使用寿命。
【专利说明】固定墩与阀门井一体混合安装法
【技术领域】
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[0001]本发明属于供热行业、管道安装领域、地下直埋热水管道专项技术；它的发明将为地下直埋热水管道固定墩与阀门井的设计开辟一条新路。
【背景技术】
[0002]有了开发区才有了集中供热的普及，才有了地下直埋蒸汽管道和地下直埋热水管道技术，当然还要归功于聚乙烯塑料管(黑夹壳管)和聚氨酯泡沫的出现，在这方面我们落后于发达国家至少20年。
[0003]天津开发区建区已经29年，是全国第一批14个对外开放的经济技术开发区之一，邓小平:“开发区大有希望”的题词、就是在考察完几个开发区后，于1986年8月21日在天津开发区丹华自行车有限公司、在食堂布置成的简易会议室里，胸有成竹、高瞻远瞩，挥毫劲笔写下的。
[0004]1937年德国Otto Bayer教授首先发现多异氰酸脂与多元醇化合物进行加聚反应可制得聚氨酯，聚氨酯的绝缘、隔热、抗腐蚀、不易燃、轻质、发泡、流动性、固化性等独特性能被各行各业的企业技术人员引用到产品当中，供热采暖业用它代替岩棉做保温层、再用黑夹壳管做防腐防水层，用它们取代矿渣棉和玻璃布给钢管保温，从而使采暖用管道可以埋入地下，使城市的供热管道在地上消失了？大大美化了城市环境，而且可以在工厂内成批的制造好后、再拉到工地组装即可，因此它为德国20世纪40年代的城镇化改造立下大功。20世纪50年代美英才把它工业化，日本1955年从德国Bayer公司引进，而我国是50年代末聚氨酯工业才开始，而广泛用于集中供热行业应该是1990年以后。
[0005]天津泰达热电公司与开发区相伴而成长，而集中供热的主要设施地下直埋热水管网应该是92年热源二厂建成之后才有的，它采用的是国外供热的成熟技术、采用一次性波纹管补偿器作为热伸张补偿，聚氨酯发泡作为保温层、聚乙烯塑料(俗称黑夹壳)作为防腐防水保护层。可以说天津开发区是全国率先采用地下直埋管道技术的。平心而论、这一技术我们引进吸收的远远不够深入和明白，东西引进来了也会制造和使用了，而如何把它用好用对还需要我们从实践中慢慢摸索和总结，这些我们没有从国外取来真经！就好比国产汽车质量比不上知名品牌的汽车质量一样，也许在某个环节上就差那么一点点？
[0006]天津开发区生活区自从92年采用预拉伸一次性直埋管道投入使用后，年年出现管网开裂漏水的问题，从起初的一个冬季两三个漏点到十年后的十几个漏点，全区几十个漏点，漏点60%出在补偿器，40%出在固定墩、弯头、三通、直管焊口。仓促的抢修断管、用直管段代替补偿器，原设计的焊接阀门因不严密而废除更换为法兰式阀门，运行后期加装中间腰门导致原始安装的管道内力遭到破坏是个主要原因。
[0007]从09年开始、不得不陆续将“一次性波纹管补偿器”更换成“永久性波纹管补偿器”，冷拔导致的补偿器开裂问题有所减少，但因20年不断地“开膛破肚”、一二次网早已是“千疮百孔”腐蚀在所难免，2013年漏点达到96处，因腐蚀而导致管网漏水依然没有彻底解决。究其原因、这与“永久性波纹管补偿器”的活动端无法克服由于热胀冷缩反复蠕动导致防腐层接口不严密有关。再有以往由于管道频繁断裂漏水、阀门井渗水而积水，聚氨酯保温层不密实而吸水，管道受潮锈蚀与聚氨酯泡沫脱离，最终加剧了焊口和管道的腐蚀。
[0008]以滨海能源股份有限公司热源五厂南线、北线DN600大水网为例，2002年投入使用，原设计没有考虑中间关断门，运行三年后2005年加设了关断腰门，加了腰门以后，管网就年年出现补偿器撕裂的问题，而且是依次向下一个补偿器蔓延的规律。不得不在2010年将全线供水管的一次性补偿器更换为永久性补偿器，目前补偿器撕裂问题暂未出现。由于永久性补偿器仍然采用的是不锈钢波纹管材料，且活动端的密封容易开裂和老化而浸入地下水，而开发区原本是盐碱地，地下水位高而且是有腐蚀性的，波纹管的使用寿命最多六年，因此若干年后补偿器损坏带来的管网泄露问题依然是个隐患。
[0009]地下直埋热水管网的阀门和阀门井如何设置其实是个很重要的问题，而我们以往并没有强调过它的重要性，甚至有的设计在5千米的距离内都不考虑设置中间关断门，对于主干网从锅炉房出来设置主门控制，在末端设置联通门，支网设置分支门，对于主网没有考虑分段设置的问题，实践证明这样的设计是不完善的，没有考虑管网的泄漏和阀门的维修更换问题，有的设计虽然考虑设置了中间关断门，但是也没有考虑关断门如何更换的问题(比如热源四厂南线DN1000大水网和八街DN700分支网)？目前还没有一个阀门产品可以确保永远不坏？尤其是采用一次性补偿器作为管网热补偿的管道，一旦阀门拆除更换势必影响管网原设计的稳定性，不论是外置热源加热还是电预热安装的地下直埋管网，冷态时管道是有内部张力存在的，阀门一旦拆掉管道就会回缩2—5cm，而对于选用焊接阀门的，这2 — 5cm的短缺尺寸，新装入的阀门势必要加长2 — 5cm?经过几次的更换，原设计的内力就会彻底消除，变成了“僵网”，再热膨胀就会超出管网的弹性范围而产生压缩变形，再遇冷收缩就会因“冷拔”而出现断裂！
[0010]再有阀门井进水问题也是一个老大难问题，仍以天津开发区为例，由于其特殊的地理环境，到目前为止还没有一个阀门井保证不进入地下水，无论是老工程还是新工程，各种堵漏技术和新技术都试过了，地下水仍然侵入，不仅带来操作不便还腐蚀阀门和管道。
[0011]为了解决上述问题， 申请人:提出这个发明。
【发明内容】
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[0012]如说明书附图1所示；它是由管道⑴；保温层(2)、防护层(3)、穿管井壁A(4)、法兰垫(5)、法兰(6)、固定板B(7)、穿管井壁B(8)、井盖(9)、侧壁(10)、阀门(11)、人孔盖
[12]、固定板A(13)、集水窝(14)、井底(15)、螺栓(16)、密封圈(17)组成；将阀门井的两个穿管井壁设计成两个固定点，其距离为m=3米，运行最高温度120°C，冷态温度0°C，其有效膨胀量为4.032mm(如果按150°C考虑是5.04mm)，安装温度取60°C，那么安装温度至运行温度发生的热膨胀量为2.016mm,安装温度至冷态0°C温度的回缩量也是2.016mm,如果环境温度在20°C，回缩量仅有1.344mm ；
[0013]材料力学讲过、杆件受拉或受压时，其纵向尺寸和横向尺寸都要发生变化。我们把等直杆的原长用L表示，在轴向拉力(或压力)F的作用下、变形后的长度用LI表示，以AL表示杆沿轴向的伸长(缩短)量；
[0014]则有关系式:AL=L1-L1-1
[0015]Λ L称为杆件的绝对变形，对于拉杆AL为正值；对于压杆AL为负值。
[0016]用^-= S11-2
[0017]式中ε称为杆件的相对变形(或称线应变)。胡克定律(虎克定律)告诉我们:当杆内的轴力N不超过某一限度时，杆的绝对变形Δ L与轴力N及杆长L成正比,与杆的横截面积A成反比，SP
NI
[0018]AL 00 ——
A
[0019]此外、还与杆的材料性能有关，引进比例系数Ε，于是有
r n r NI
[0020]AL = — 1-3
EA
[0021]这个关系式称为胡克定律。式中E为表示材料抵抗拉压变形能力的一个系数，称为材料的拉压弹性模量，E值越大变形就不容易。
[0022]公式1-3还可写成。~ _ —.— 1-4
L EA
[0023]设杆的横截面积为A，轴力为N，则单位面积上的内力(即应力)为g。由于内力N
A
垂直于横截面，故应力也垂直于横截面，这样的应力称为正应力，以符号0表不。于是有
「 π — N
[0024]σ = — 1-5
A
[0025]将I——5式代入I——4式得出
Γ ? ΔΖ, _ σ
[0026]-——一
LE
τ _ r σ
[0027]AL = L.— ι-6
E
[0028]我们把说明书附图1中3米长的钢管视作杆件，通过I——6式我们可以算出钢管发生变形时的绝对变形量AL。从有关表中可以查得，20号碳钢拉压屈服极限应力σ为236MPa，即236X 106N / m2(牛顿、米2)，称为帕，16帕称为兆帕。弹性模量E值为200GPa (200 X 19 帕)，I (G N) =13 (MN)即 I (吉牛)=13 (兆牛)、IG Pa=13MPa=19Pa ;代入I——6式得出3米长钢管绝对变形量Λ L为
[0029]
δι=3 (米)X^xJP6pa
200X19Pa
= 3.54 (毫米)
[0030]从计算结果可以得出，3米长的钢管在“足够大力”的作用下，需要发生3.54mm的伸长或压缩3.54mm，钢管才会发生拉伸或压缩的绝对变形(即开始塑变形)。
[0031]通常我们选用的供热管道钢材材质为20号碳钢，通过上面的计算、3米长的钢管其最小拉伸弹性变形量是3.54mm，压缩弹性变形量也是，这就是说、3米长的钢管只要拉伸量不超过3.54mm，钢管就不会发生伸长塑变形；相反、压缩不超过3.54mm，钢材也不会发生压缩变形。
[0032]通过计算我们知道、3米长的钢管O?120°C的热膨胀变形量为4.032mm,而3米长的钢管允许最大弹性变形量为3.54_，如果我们直接的把阀门安装上去、让其在O?120°C的范围内任意变化那是肯定要出问题的，反复的拉伸和压缩变形，过不了多久管道就会开裂，就像我们来回撅铁丝一样？
[0033]而3米长的钢管60?120°C的变形量为2.016mm，在弹性变形量(3.54mm)的范围之内；如果我们在60°C的环境下将阀门安装到管道上，那么、当管道温度降到0°C时、就会对管道产生一个拉伸作用力，这个作用力产生的位移是2.016mm，在允许拉伸弹性长度
3.54_范围之内，当冬运开始注入热水之后，温度缓慢的从0°C升至60°C，热膨胀力抵消了安装时对钢管的拉抻力，管道达到伸缩平衡点，此时管道既不受拉也不受压，当水温从60°C继续升温至120°C时，管道的热膨胀力对管道产生压缩作用，其压缩位移量为2.016_，还在允许弹性变形量3.54_之内，所以对管道材质不会产生塑性变形、更不会产生破坏。
[0034]以上就是“固定墩与阀门井一体混合安装法”(简称“毓智安装法”)的理论根据。他利用钢材60°C -O0C ；60°C _120°C的变形量都小于塑性变形量的特点，用预拉伸一定尺寸的安装方法把过去不敢做的事情实现了。
【专利附图】
【附图说明】
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[0035]如说明书附图1所示(示意图)；它是由管道⑴；聚氨酯保温层(2)、PVC塑料防腐层(3)、穿管井壁A(4)、法兰垫(5)、钢管法兰(6)、固定板B (7)、穿管井壁B (8)、井盖(9)、侧壁(10)、阀门(11)、人孔盖(12)、固定板A(13)、集水窝(14)、井底(15)、螺栓(16)、密封圈(17)组成；
[0036]将穿管井壁A (4)、穿管井壁B (8)设计成两个固定墩，用侧壁(10)和井底(15)将两个固定墩连接构成阀门井，或者说是将阀门井的两个穿管井壁做的足够大，且将固定板放入构成固定墩的结构。井盖(9)盖在井子之上，通过密封圈(17)起到密封作用防止雨水流入，井盖(9)设计有2个出入人孔(12)和起吊用预埋环。阀门(11)安装在钢管法兰(6)上，与阀门法兰通过螺栓(16)拧紧，法兰垫(5)安放在两法兰之间起到密封作用。集水窝
(14)用于放入抽水设备排除井内积水。
[0037]如说明书附图2中(图2)所示，固定板“甲”板(7)固定焊接在管道⑴上，固定板“乙”板(4)为一对、安装在砼体井壁(6)中，甲乙两板之间有隔热层(5)相隔，用来降低热传导。
【具体实施方式】
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[0038]1、在挖好的管沟确定好固定墩的位置，按照基础尺寸四边大于一米开槽；
[0039]2、如果土壤地耐力不够应打四根20米长的桩柱，防止沉降。
[0040]3、打完桩后铺垫大小碎石垫层300mm厚与桩顶面平。
[0041]4、按井子底部图纸尺寸铺设钢筋、支盒子板，安设好集水泵窝。
[0042]5、浇灌混凝土(水泥、沙、石比按1: 3: 5并掺入防水剂)，充分捣桨抹平。
[0043]6、在地面上将法兰阀门的一侧与管道法兰连接、中间放置好耐热石棉橡胶垫4_厚，拧紧到3_。法兰阀门的另一端与管道的另一端连接、中间放置5_厚钢板垫拧紧。
[0044]7、将一对固定板套入管道，两板之间定位尺寸间隔3米、阀门居中、固定板与钢管焊牢、除锈后刷防锈漆一道、高温耐热防水漆两道；按发泡工艺做好保温层，保温层断面与固定板平面填充耐热胶，将直径小于固定板直径的黑夹壳圆盘紧贴固定板与黑夹壳管封焊。特别提出的是这12米钢管如果选用壁厚大于管道壁厚的厚壁钢管，钢号为30或35号碳钢，则屈服极限和弹性变形量会大，有效塑变形量也会增大，有利于阀门更换和延长使用寿命。当然螺栓钢号也应提高。
[0045]8、用吊车将预制好的管道阀门放入井子的设计位置，做好支撑、固定和对正水平测量，将固定板和预制钢筋焊牢，支好盒子板，按上述比例浇筑混凝土，充分捣桨赶出气泡，做好养护。
[0046]9、待养护期满，抽出法兰之间的钢板换上耐热防水石棉橡胶垫(4mm厚、拧紧至3mm)，用专用顶板和油压千斤顶帮助安装法兰螺栓。
[0047]10、如果地下水位高、阀门井通体要做防水层，即在做井子底部时就将防水层做上来，井子打好后，将做上来的防水层顺井子壁铺上来，尤其管道部位必须粘合好然后二次浇注，确保井内不浸入地下水。
[0048]11、在井子两端管道轴向方向回填3米三合土并夯实是有必要的。
[0049]本发明打破了传统阀门井的做法，将两个穿管井壁分别做成了两个固定墩，原来不受力的井壁如今受力了，那么它能否承受管道热胀冷缩产生的热涨力和冷拉力？热胀冷缩产生的力对本发明所做的井子安全性影响主要有三个方面的考虑；一个是对穿管井壁固定板处的剪切和挤压破坏，另一个是对阀门井整体推拉位移的作用，再有就是热传导的破坏。
[0050]“毓智安装法”安全性和稳定性分析:
[0051]先说第一个；固定板外圆轴向方向受管道冷拉后会对固定板井子内侧井壁产生一个剪切力，此点是最薄弱环节，此点无忧其它部位亦无忧(见说明书附图2中b-b'所表示的h宽度)。前边说过穿管井壁做得“足够大”意即按照原固定墩的尺寸来做、尤其是管道轴向方向的厚度，原来的厚度没问题，现在的也就没问题！为了节省体积和获得最大井内可操作空间，不妨我们计算一下管道热膨胀力“f”和井子破坏所需的剪切力“F”和挤压力“F, ”的大小做一比较，确定是否安全。
[0052]设固定板直径为“D”半径为“R”、井内壁厚度为“h”、剪切应力“ τ，，是单位面积“Α”上所受的力“F”的大小，有关系式
PP
[0053]T == — —-— 1-1
A ?.π.--
[0054]F= τ XDX π Xh 1-2
[0055]以DN600管道为例:
[0056]设取固定板直径0=1150臟，井内壁11=300111111 ；525号水泥对应混凝土标号为C35，其抗剪切强度为彡55MPa (55 X 16Pa)(或55 X 16牛顿/米2)，
[0057]代入I——2式有
[0058]卩=55父106牛顿/米2父1.15X3.14X0.3=59.5815X 16 牛顿
[0059]DN600管道由于温度变化产生的内力f与钢管的塑变弹性模量E有关、还与钢管截面积s大小有关；
[0060]f=EXS 1-3
[0061]20号碳钢的弹性模量为236 X 16Pa (牛顿/米2)，DN600钢管内径是600mm，外径是630_ ;代入I——3式
[0062]
f-236xl06 (牛顿/米2) χ( 0.630~°-— )2 X3.14
[0063]f=0.166743 X 16 牛顿
[0064]固定板除了对井子内壁有剪切作用外，固定板对井子内壁还有一个压强破坏作用力“F' ”，C35号混凝土抗压强度是31MPa，对应的固定板面积S'，S, = (|) 2>or ;代入
I——3式有
[0065]
F' =(^)2MxE= (H^)2 X3.14x31xl06 = 32.183χ106 牛顿
2 2
[0066]由以上数据可见、钢管因温度变化产生的内力f远远小于可以造成井壁剪切折断或挤压破坏所需的力F和F'。所以在钢管冷态或热态时、固定板受力后不会对砼体墙壁产生破坏！
[0067]以上是管道轴向内力对井子内壁产生的轴向破坏，管道径向的膨胀力对井子内壁也有一个膨胀破坏作用。首先管道从0°c——120°C直径变化为0.84672mm,由于受到固定板的约束，这个变化尺寸不起作用(或可以忽略不计)，而固定板直径尺寸变化为1.5456mm，也是在碳钢允许弹性变形尺寸范围内，又因受混凝土井壁的约束，也不会有实质的尺寸变化，对钢筋砼体不构成破坏。
[0068]再一个就是热传导会否对井壁产生破坏？
[0069]如果固定板直接焊在管道上，120°C的热水会把热量通过固定板传递给钢筋砼井子，如果不采取任何隔热手段，井子在持续高温作用下会加速PVC黑夹壳管的老化，钢筋也会因高温变化和砼体产生“脱骨”现象，长期作用会使井子防水层破坏甚至是进水。
[0070]如说明书附图2中(图2)所示，将固定板做成甲板和乙板，之间用隔热层隔热，受高温传递影响的甲板的传热效果会在隔热层的隔离下而降低，通常我们控制乙板的温度在700C以下，这个温度对夹克管和混凝土井子都是安全的。
[0071]再说管道热胀冷缩产生的内力f作用在固定板上，对阀门井的位移稳定性是否安全？
[0072]首先阐明、井子里的管道产生的内部张力是双向的、对井子的位移不起作用，井子外轴向两侧的推力也是对等的，对中间阀门井也不起作用，只有首个和末端以及管道走向改变的井子才会有推力的不对等。前面得出管道的内力f为:
[0073]f=0.166743 X 16 牛顿
[0074]=1.66743 X 14 公斤=16.6743 吨
[0075]经计算、DN600的管道对应的钢筋混凝土井子的体积约为29立方米，重量约72吨(按 2.5 吨 / m3)。
[0076]混凝土面与碎石基面的摩擦系数可以取到0.8，那么约72吨重的井子的阻力约为57.6吨；远远大于内力16.6743吨，加之井子四周三合土的夯实，故其稳定性是安全的。
[0077]本发明的意义所在:
[0078]本发明做法的一次性投入较以往的做法成本要高出一些，但是这是有意义的必须的投入，其结果起到的作用和产生的效益要远远大于这一部分的投入，是值得的！其意义在于:
[0079]1、它改变了以往一次性直埋热水管道固定墩和阀门井分开设计的思路，运用钢材弹性变形理论和热胀冷缩变形尺寸、取60°C中间温度抵消预拉伸变形，这一巧妙的设计把固定墩和阀门井两个独立体结合在一起，史无前例具有创造性和独特性。
[0080]2、由于本发明的可靠性、使管网合理增设分段门变得简单且利大于弊，有利于运行和维修，有利于管网湿保养和打压检测，节约用水。
[0081]3、解决了以往阀门井地下水浸入长期积水的问题，保证阀门井干燥成为可能，省去了抽水维护等繁琐工作。
[0082]4、杜绝了井内积水浸入保温层腐蚀管道腐蚀阀门的问题。
[0083]5、由于井内干燥、便于阀门更换维护和操作。
[0084]6、解决了以往一次性直埋热水管道不能换阀门的棘手问题。
[0085]7、为老管网改造增加阀门提供了设计依据和保证，解决了因增设阀门而导致管网预热内力消除所引起的管网断裂的问题。
[0086]8、采用本发明安装的阀门井子寿命可达60年以上，大大地提高了管网的使用寿命，并可降低运行和维修成本。
[0087]综合上述、本发明将对供热行业直埋热水管网的设计、安全运行、维修维护，降低运行成本有着极其深远的意义和重大效益。
[0088]专利文献检索情况:
[0089] 申请人:经检索、到目前为止，没有发现经中国专利局授权的同名同类型或近似的专利发明发表，也没有发现各级书刊杂志上有相同或类似的论文发表。因此本发明为独家首创。
[0090]此致！
【权利要求】
1.如说明书附图1所示、固定墩与阀门井一体混合安装法，它是由管道(I);聚氨酯(2)、PVC塑料(3)、穿管井壁A (4)、法兰垫(5)、法兰(6)、固定板B (7)、穿管井壁B (8)、井盖(9)、侧壁(10)、阀门(11)、人孔盖(12)、固定板A(13)、集水窝(14)、井底(15)、螺栓(16)、密封圈(17)组成；其特征在于，固定墩A(4)、固定墩B(8)、井盖(9)、侧壁(10)、井底(15)由钢筋混凝土浇筑而成，固定板A (13)、固定板B (7)是焊接在管道(I)上，又预埋在固定墩A⑷固定墩B(S)中，即有固定墩的作用又有阀门井的作用。
2.如权利要求1所述固定墩与阀门井一体混合安装法，穿管井壁A(4)和固定板A(13)组成一个固定墩A，穿管井壁B(8)和固定板B(7)组成另一个固定墩B ;A墩和B墩同为一组且间距有一定尺寸要求，并由侧壁(10)和井底(15)连接形成一体。
3.如权利要求1权利要求2所述固定墩与阀门井一体混合安装法，其特征在于法兰(6)与管道(I)焊接好后与阀门(11)有预连接，密封垫(5)夹在两个法兰之间用螺栓(16)紧固，密封垫(5)在预安装时、一端用钢垫且厚度大于实际使用石棉垫δ毫米，待固定墩浇筑养护后撤出。
4.如说明书附图2中(图2)所示，固定板“甲”板(7)固定焊接在管道⑴上，固定板“乙”板⑷安装在砼体井壁(6)中，甲乙两板之间有绝热层(5)相隔，用来降低热传导。
【文档编号】F16L1/028GK104154324SQ201410080543
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年3月6日 优先权日:2014年3月6日
【发明者】刘毓智, 刘毓斌, 张旭, 刘 文, 张云 申请人:刘毓智, 刘毓斌, 张旭, 刘 文, 张云