太原理工大学环境科学与工程学院  郑方  雷勇刚  王飞

       【摘  要】针对我国区域热水锅炉房供热管网疲劳寿命的研究现状，采用泊尔姆格林-米纳公式，对供热管网的疲劳寿命进行计算和研究。本文选取太原、石家庄、大同、运城作为代表性供热城市，通过调查问卷和实际测量方法，对区域热水锅炉房的事故情况及管网热工参数进行统计。结果表明，四座代表城市区域热水锅炉房输送干线疲劳寿命循环次数区间为分别为（81.94，99.01）、（73.62，86.02）、（93.63，110.01）、（67.56，74.62），均值分别为89.04、79.33、101.81、71.77，与城市所在地的供暖室外计算温度值成反比且与供暖时长成正比。研究结果为今后直埋供热管网的设计规程提供重要的实验参考依据。

       【关键词】区域热水锅炉房；输送干线；事故频次；疲劳寿命

0 引言

       2017年10月18号，习近平总书记在十九大报告中指出，加快生态文明体制改革，建设美丽中国。区域热水锅炉的发展，便是相应十九大的号召，针对我国城乡中现在有的小型、低效、高污染锅炉进行改造，为热用户提供集中供热。随着供热需求量越来越大，供热直埋管管径不断增大，对供热直埋管道的安全运行提出了更高的要求。

       在工程实践中，常利用疲劳寿命曲线对疲劳寿命进行评估。疲劳线性累积理论为疲劳分析开拓了思路，而实际测量数据和经验则为疲劳寿命的研究奠定了基础。方英鹤^[1]认为通过提高管道的基本循环次数可以实现低周疲劳破坏对管道疲劳损伤的计算。在评估油气管道的疲劳寿命评估中，李云龙等一些学者采用雨流计数法分析了压力循环次数，指导管道设计及安全运营^[2-4]。针对供热热水管道，文献[5]采用应力分类法对供热热水管道强度进行了分析，其中，直管段验算采用安定性分析，弯头验算采用简化的疲劳分析。欧洲规程指出供热管道在设计年限内的温差循环次数包括每天温度变化的小作用循环次数和大温差循环次数（启停和事故循环）组成^[6]。邹平华等[^7-9]开展了对管网故障情况的研究，为热网可靠性分析及事故循环次数的调查提供参考。尽管部分学者借鉴欧洲规范并考虑了温度变化对疲劳寿命的影响，得出管道的温差循环次数^[10-12]。然而，目前对于温差循环次数的研究尚未形成完整体系，且国内针对以区域热水锅炉房为热源的热水管道实际运行参数的统计也不全面，该方面研究鲜有报道。

       鉴于以上分析，有必要对以区域热水锅炉房为热源的热水管道实际运行参数进行统计，并对热水管道的最大年温差循环次数进行分析讨论。本文按表1中室外计算温度、供暖设计温度以及供暖时长的不同，选取北方供暖城市的中四个代表分别是太原、石家庄、大同、运城，作为本次研究对象，以当地的区域热水锅炉房为调查对象，进行事故调查统计和连续五个供暖季输送干洗管网运行数据的测量统计，之后利用泊尔姆格林-米纳（Palmgren-Miner）公式[13]计算最大年温差循环次数，为供热输送干线在使用年限内的疲劳寿命分析提供依据。

表1 集中供热代表城市相关参数

1  输送干线事故情况的调查统计

       1.1  数据来源

       于2016年9月至2017年9月以问卷调查的形式，对太原、石家庄、大同、运城地区以区域热水锅炉房为热源的投运年限、运行事故次数、事故位置及抢修持续时间进行统计分析。本次调查共回收问卷415份，有效问卷为335份，有效率为80.72%，适用于本次调查研究，样本的详细分布情况如表2。

表2 样本分布情况表

       1.2  输送干线的事故频次

       我国区域供热管网的规模不断扩大，结构日趋复杂，热网事故也随供热程度的增加而递增，虽不能完全避免，但更应从设计、运行、管理、调度等方面尽可能减少事故次数和影响范围，使管网安全稳定运行。

       图1为输送干线事故频次图，其中，占前三位的分别是：21.47%的人选择热网五年出现一次事故，16.38%的人选择三年出现一次事故，15.82%的人选择八年出现一次事故。将所有输送干线的实际事故频次进行加权计算，得到输送干线每年的事故循环次数为0.511次，为进一步计算供热直埋管道温差循环次数提供了理论参数。

图1 输送干线事故频次图

2  输送干线最大年温差循环次数的确定

       2.1  最大年温差循环次数计算方法的确定

       为分析研究循环温差对输送干线疲劳寿命的影响，确定区域热水锅炉房输送干线的合理最大年温差循环次数，基于利用泊尔姆格林-米纳（Palmgren-Miner）公式计算最大年温差循环次数M^[13]：

       

       式中：Δt_i为温度变化i=1,2,…；Δt_ref为管网运行过程中出现的最高温度与环境温度（工程中取10℃）的差；m为常数（1/m是S-N曲线的斜率），综合《区域供热手册》中当参数m=4，计算结果趋近实际运行条件。因此本次研究通过实际测量太原、石家庄、大同、运城四座集中供热代表城市地区某区域热水锅炉房的供热输送干线整个连续五年供暖季的运行温度，并按照时间划分循环温差段，计算得出以区域热水锅炉房为热源的供热输送干线的最大年温差循环次数，为计算供热输送干线疲劳寿命的疲劳分析提供依据。

       2.2  数据采集

       为分析区域热水锅炉房运行期间输送干线供水温度的变化，于2011年在四座城市的某一以区域热水锅炉房为热源的输送干线出口安装温度传感器和自动记录仪，供水温度每隔3小时自动记录一次，历时5个供暖季。 

       2.3  最大年温差循环次数的确定

       由于区域热水锅炉房温度调节不仅受到室外温度变化的影响，而且人的主观调节也属于不确定影响。因此，每一个供暖季均可看作一个典型的区域热水锅炉房运行期间输送干线供水温度算例。针对区域热水锅炉房输送干线运行温度的测量值，采用《区域供热手册》中的分类方法，将计算出的运行温差按照每天、每周和每月进行分类，并利用泊尔姆格林-米纳公式，参数m设定值取4，分别计算5个供暖季的输送干线每天、每周和每月小温差的等效温差循环次数，叠加每年1.5次大温差循环（每年启停一次与0.511次的事故次数），折算得到最大年温差循环次数。表3、表4、表5和表6分别给出四座城市5个供暖季度该区域热水锅炉房最大年温差循环次数：

表3 太原地区区域热水锅炉房最大年温差循环次数

表4 石家庄地区区域热水锅炉房最大年温差循环次数

表5 大同地区区域热水锅炉房最大年温差循环次数

表6 运城地区区域热水锅炉房最大年温差循环次数

       2.4  结果分析

       通过以上对四座代表性城市中区域热水锅炉房输送干线供水管段运行数据的分析对比，四座代表城市在设计寿命30年内供水管段的最大温差循环次数如图2、图3所示。由两图可以得出，在设计寿命30年内，区域热水锅炉房供水管段的年最大温差循环次数最大值为大同地区的101.81，最小值为运城地区的71.71，太原、石家庄依次居中分布，这与四座代表性城市的设计供暖时长成正比且一一对应，但与这四座代表性城市的供热季室外平均温度成反比。即设计供暖时长越长的城市，其供热管网在供热季运行期间的温差循环次数越多，必然年最大温差循环次数越大,管网受到的疲劳损伤越大；同理，供热季室外平均温度越低的城市，其供热管网的供水温度必然越高，导致管网中循环温差越大，从而温差引起的热应力越大，对管网的疲劳损伤越严重。由此可得，区域热水锅炉房供水管段的年最大温差循环次数既符合实际变化规律，也进一步证实了实验数据的采集和计算分析方法的真实性、可靠性、合理性。因此，对于设计供热时长越长或供热季室外平均温度越低的城市，在对区域热水锅炉房输送干线供水管道的设计和施工中更加注重安全合理，为保障区域热水锅炉房供热系统在设计寿命内安全稳定运行，提高使用寿命，应合加强对区域锅炉房供水管段的巡检，避免运行事故出现，从而减少由于温差循环对管网引起的疲劳损伤。

图2  供水管段最大温差循环次数与供暖室外计算温度

图3  最大温差循环次数与供暖时长

3  结论

       1） 通过对区域锅炉房供热直埋输送干线事故频次的调查统计，确定区域热水锅炉房为热源的输送干线每年的事故循环次数为0.511次。

       2）按1.5次大温差折算在设计寿命内的最大年温差循环次数，太原、石家庄、大同、运城四座代表城市区域热水锅炉房输送干线疲劳寿命循环次数区间为分别为（81.94，99.01）、（73.62，86.02）、（93.63，110.01）、（67.56，74.62）。

       3）以各供暖季输送干线供水的最大年温差循环次数推算其在设计寿命30年内的最大年温差循环次数，计算出太原、石家庄、大同、运城四座城市区域锅炉房输送干线的循环平均值分别为89.04、79.33、101.81、71.77，与城市所在地的供暖室外计算温度值成反比且与供暖时长成正比，供暖室外计算温度低且供暖时长长的集中供热城市，区域热水锅炉房输送干线的疲劳损伤较大，需要在今后的设计运行中，加强供热直埋管网的安全性能。

       4）本文仅对区域热水锅炉房为热源的供热一次网输送干线的温差循环次数进行了研究，还需进一步对不同地区和不同热源的管道进行深入统计，获得一系列管道设计寿命内的温差循环次数，为热网疲劳寿命的研究提供更完善的基础数据。

参考文献 

       [1]方英鹤. 管道疲劳强度计算方法的探讨[J]. 电力建设, 1999, (5):33-35.
       [2]李云龙, 庄传晶, 冯耀荣,等. 油气输送管道疲劳寿命分析及预测[J]. 油气储运, 2004, 23(12):41-43.
       [3]PINHEIRO B D C, PASQUALINO I P. Fatigue analysis of damaged steel pipelines under cyclic internal pressure [J]. International Journal of Fatigue, 2009, 31(5):962-973.
       [4]焦中良, 李志文, 李志勇,等. 油气管道波动压力的雨流计数与分析[J]. 油气储运, 2011, 30(8):624-628.
       [5]中华人民共和国住房和城乡建设部. 城镇供热直埋热水管道技术规程: CJJ/T 81-2013[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2013: 18-27.
       [6]European Committee for Standardization. Design and Installation of Preinsulated Bonded Pipe System for District Heating: BS EN13941: 2009[S]. London: Standards Policy and Strategy Committee, 2009: 86-93.
       [7]张华杉, 王晓霞, 邹平华,等. 基于热网调研的供热管网元件故障率统计与频谱分析[J]. 暖通空调, 2004, 34(1):15-18.
       [8]邹平华, 雷翠红, 王威. 热网故障与提高热网可靠性的措施[J]. 暖通空调, 2008, 38(11):7-12.
       [9]邹平华, 雷翠红, 王威,等. 黑龙江省热网故障调研与分析[J]. 区域供热, 2008, (5):15-20. 
       [10]CHANG Y S, JUNG S W, LEE S M, et al. Fatigue data acquisition, evaluation and optimization of district heating pipes[J]. Applied Thermal Engineering, 2007, 27(14–15): 2524-2535.
       [11]董媛媛, 王飞, 王国伟. 供热直埋输送干线循环次数统计方法的研究[J]. 太原理工大学学报, 2015, 46(4): 461-464.
       [12]冯继蓓, 王松涛. 城镇直埋供热管网疲劳分析[J]. 煤气与热力, 2016, 36(4): 7-10.
       [13]（丹麦）兰德劳皮夫（编）, 贺平, 王钢（译）. 区域供热手册[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 1998: 87-94．

       备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。