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蒸汽地埋管設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的思考與探討

一、直埋蒸汽管道技術(shù)發(fā)展概況
　　目前，我國(guó)直埋蒸汽管道市場(chǎng)需求愈來(lái)愈大，而且有迅猛發(fā)展之勢(shì)。這種局面的出現(xiàn)， 主要由以下原因促成：

　　A、我國(guó)推廣“集中供熱”、“熱電聯(lián)產(chǎn)”、“三聯(lián)供”等節(jié)能、環(huán)保政策的需要；

　　B、現(xiàn)代文明城鎮(zhèn)建設(shè)的加速和對(duì)節(jié)能、環(huán)保的高要求；

　　C、國(guó)家為了提高人民生活質(zhì)量水平，供熱范圍由嚴(yán)寒的“三北”地區(qū)（即華北、東北 、西北）向廣闊的冬寒夏熱的“過(guò)渡地區(qū)”擴(kuò)展的需求。

1.1、研究、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用等方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步

　　為適應(yīng)直埋蒸汽管道迅速發(fā)展的市場(chǎng)需求，近幾年來(lái)我國(guó)廣大科技人員、生產(chǎn)廠家在直 埋蒸汽管道技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用等方面，付出了大量心血，取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。保溫結(jié)構(gòu)型式和選用材料之多樣化，工程實(shí)踐規(guī)模之大，世界上沒(méi)有一個(gè)國(guó)家可以和我們相比。筆者 曾多次和德國(guó)布魯格、意大利索克薩姆以及美國(guó)等多家公司交流，他們一般大管徑Φ500m m，用量也不大，而目前我國(guó)山東濟(jì)南、河北石家莊、陜西西安、遼寧大連、河南、江浙等 地區(qū)所采用的直埋蒸汽管道已超過(guò)Φ500mm，有的已達(dá)Φ900mm。保溫結(jié)構(gòu)型式有內(nèi)滑動(dòng)、外 滑動(dòng)，選用的耐高保溫材料有微孔硅酸鈣、玻璃棉管殼、熱壓珍珠巖、硅珠保溫材料、復(fù)合硅酸鹽等。保溫結(jié)構(gòu)型式、選用保溫材料種類(lèi)很多。因此在直埋蒸汽管道開(kāi)發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域， 我國(guó)并不比發(fā)達(dá)國(guó)家落后。

1.2、一方面肯定研究、開(kāi)發(fā)方面的寶貴經(jīng)驗(yàn)，另一方面也應(yīng)清醒地認(rèn)識(shí)到目前我國(guó)蒸 汽管道直埋敷設(shè)技術(shù)在研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、材料、檢測(cè)等方面，尚存在著理論、技術(shù)、管理等方面諸多問(wèn)題，距這項(xiàng)技術(shù)的完善還有很大距離。筆者通過(guò)對(duì)南、北方一些工程事故調(diào)研 發(fā)現(xiàn)，由于基礎(chǔ)理論研究滯后于開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)計(jì)算不確，產(chǎn)品粗制濫造，施工馬虎從事，運(yùn)行違規(guī)操作等，造成部分蒸汽管道直埋不久便出現(xiàn)“跑、冒、漏、傷”，“帶病運(yùn)行”問(wèn)題， 遺患于后，危及安全生產(chǎn)。在此種情況下，應(yīng)冷靜、客觀地對(duì)以往的實(shí)踐進(jìn)行實(shí)事求是的科學(xué)分析、研究、總結(jié)，繼而加強(qiáng)科研力度，以促進(jìn)蒸汽管道直埋技術(shù)的進(jìn)一步提高和完善。

二、對(duì)直埋蒸汽管道幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的思考與探討
　　蒸汽管道直埋技術(shù)是一項(xiàng)涉及熱力學(xué)、材料力學(xué)、巖土力學(xué)、流體力學(xué)以及有機(jī)材料、 無(wú)機(jī)材料、防腐、電化學(xué)等多學(xué)科的系統(tǒng)工程，而且投入生產(chǎn)后是動(dòng)態(tài)運(yùn)行，所以蒸汽管道直埋敷設(shè)與熱水管道直埋敷設(shè)相比較，技術(shù)復(fù)雜的多。據(jù)有關(guān)專(zhuān)家總結(jié)，直埋蒸汽管道通常 有三大系統(tǒng)，十三個(gè)結(jié)點(diǎn)處理，每一項(xiàng)處理不當(dāng)，就會(huì)立即或即將造成工程事故，隱患性很大。篇幅所限，不能展開(kāi)討論，下面僅對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)提幾點(diǎn)參考意見(jiàn)，以期“拋磚引玉” 。

2.1、關(guān)于保溫結(jié)構(gòu)計(jì)算

　　2.1.1、蒸汽管道直埋敷設(shè)與架空、地溝敷設(shè)傳熱狀態(tài)不同，架空敷設(shè)是向無(wú)限空間傳熱，地溝敷設(shè)是熱介質(zhì)通過(guò)保溫材料、流動(dòng)空氣層、溝壁等以不同傳熱狀態(tài)向周?chē)寥纻鳠?span style="font-family:helvetica,sans-serif"> ，而直埋敷設(shè)，簡(jiǎn)化講熱介質(zhì)是向周?chē)寥腊匆痪S穩(wěn)態(tài)傳熱，土壤可視為保溫結(jié)構(gòu)一部分。以目前國(guó)內(nèi)常用的內(nèi)滑動(dòng)式復(fù)合結(jié)構(gòu)蒸汽保溫管為例，計(jì)算過(guò)程中首先應(yīng)劃定三個(gè)界面溫度。

　　無(wú)機(jī)保溫材料與有機(jī)保溫材料接觸處可視為界面，外保護(hù)層與土壤接觸處視為第二 界面，地表與空氣接觸面視為第三界面。計(jì)算時(shí)應(yīng)先控制三個(gè)界面溫度，界面溫度控制在有機(jī)材料耐溫能力以下；第二界面溫度應(yīng)控制保護(hù)層的防腐、防水及機(jī)械性能不遭受大幅 度衰減或破壞；第三界面溫度則控制不會(huì)因界面溫度升高而使得管道周?chē)寥罒嶙柚堤岣?，從而造成、二界面溫度升高破壞保溫結(jié)構(gòu)。所以在保溫結(jié)構(gòu)計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)校核當(dāng)?shù)貥O 高、極低環(huán)境溫度的影響，必要時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整保溫結(jié)構(gòu)各層保溫材料的厚度，以確保保溫結(jié)構(gòu)安全。同時(shí)，計(jì)算過(guò)程中不能簡(jiǎn)單地按架空管道保溫結(jié)構(gòu)或按<通則>中公式進(jìn)行計(jì)算，而應(yīng)結(jié)合節(jié)能50％，管網(wǎng)輸送效率提高到大于90％的要求（“直埋蒸汽管道保溫結(jié)構(gòu)研究與計(jì) 算”，《區(qū)域供熱》2001年第1期）。

　　2.1.2、保溫計(jì)算中，對(duì)土壤、保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)選取不能草率，這兩個(gè)系數(shù)的選取正確與否，往往影響保溫效果和管道運(yùn)行安全性。

　　土壤的導(dǎo)熱系數(shù)在0.5～2.5w/m.k之間，跨度很大，其大小與土壤種類(lèi)、含水量大小、 化學(xué)成分、埋設(shè)條件等多種因素有關(guān)。在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)堅(jiān)持實(shí)測(cè)當(dāng)?shù)赝寥缹?dǎo)熱系數(shù)或求助當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)部門(mén)提供資料，認(rèn)真確定土壤導(dǎo)熱系數(shù)值。如果只根據(jù)“無(wú)資料可查時(shí)取1.5w/m.k” 確定土壤導(dǎo)熱系數(shù)不是科學(xué)的，因?yàn)椴荒艽_切反映管道所處的土壤實(shí)際情況，造成計(jì)算結(jié)果 誤差很大。例如南方高水位地區(qū)和西部干燥地區(qū)的土壤導(dǎo)熱系數(shù)值相差成倍，那么保溫結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果也會(huì)差異很大，如果草率計(jì)算，會(huì)造成管道表面溫度過(guò)高或過(guò)低，破壞管道保護(hù)層 或不經(jīng)濟(jì)。所以，應(yīng)使用當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)土壤導(dǎo)熱系數(shù)值來(lái)計(jì)算。石家莊供熱指揮部等單位堅(jiān)持實(shí)測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)的做法是科學(xué)態(tài)度。

　　對(duì)各種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，不能簡(jiǎn)單以廠家提供的單體數(shù)值為準(zhǔn)，而應(yīng)搞清楚該數(shù)值 是在何種溫度，何種條件，哪一級(jí)檢測(cè)部門(mén)測(cè)定的，有否導(dǎo)熱系數(shù)方程式。然后盡量參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定的導(dǎo)熱方程式來(lái)選取、確定導(dǎo)熱系數(shù)。例如微孔硅酸鈣，筆者見(jiàn)過(guò)幾個(gè)廠家標(biāo)出 的導(dǎo)熱系數(shù)都不同，這時(shí)應(yīng)憑據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T10699－1998<硅酸鈣絕熱制品>相關(guān)條文選取， 送樣檢測(cè)后確定導(dǎo)熱系數(shù)。

2.2、保溫結(jié)構(gòu)型式選擇應(yīng)因地制宜

　　由于蒸汽管道介質(zhì)溫度高，保溫結(jié)構(gòu)不可能做成像直埋熱水管道那樣“三位一體”，需 要做成“脫開(kāi)式”，即工作鋼管與保溫層或外護(hù)層脫開(kāi)。

　　2.2.1、國(guó)外基本是采用鋼外護(hù)層

　　德國(guó)、美國(guó)采用外滑動(dòng)式，即綁縛著保溫材料的工作鋼管在鋼外護(hù)層內(nèi)滑動(dòng)。只有意大利薩克

2.2.2、我國(guó)對(duì)于蒸汽管道直埋技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，是摸索前進(jìn)的，在摸索保溫結(jié)構(gòu)型式過(guò)程中，大致分為三個(gè)階段。

　　外護(hù)層：

　　階段：采用“塑套鋼”，型式，即外護(hù)層采用高密度聚乙烯，工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，聚乙烯耐溫能力太差，當(dāng)局部熱流外泄，很容易造成外護(hù)層蠕變、鼓脹破壞，聚乙烯做外護(hù)層不適用于蒸汽管道，目前已成為共識(shí)。

　　第二階段：采用玻璃鋼做外護(hù)層，而溫能力大大強(qiáng)于聚乙烯，加工工藝由于是采用纏撓式，與采用聚乙烯管做保護(hù)層需要穿管比較，可以克服偏心，質(zhì)量有保證。但由于對(duì)玻璃鋼制造工藝機(jī)理了解不透，采用了簡(jiǎn)陋方式，同時(shí)，玻璃鋼外護(hù)層標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)時(shí)還沒(méi)有頒布。制造的玻璃鋼外護(hù)層質(zhì)量低下，運(yùn)輸、安裝過(guò)程中再違規(guī)操作，出現(xiàn)局部開(kāi)裂破壞，動(dòng)搖了采用玻璃外護(hù)層的信心。

　　第三階段：仿照國(guó)外采用鋼外護(hù)層，即鋼地溝型式。由于國(guó)情所限，*仿照國(guó)外，使用單位經(jīng)濟(jì)難以承受，制造企業(yè)只能簡(jiǎn)易從事，但它的“優(yōu)勢(shì)”是前二年、三年不易發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，于制造商保一個(gè)運(yùn)行循環(huán)有利，所以近期這種型式較為“走火”。不過(guò)建立開(kāi)發(fā)、使用單位應(yīng)冷靜考慮遺患未來(lái)問(wèn)題，如防腐、電化學(xué)、檢修等問(wèn)題。關(guān)于此問(wèn)題還要詳細(xì)探討。

　　保溫層：

　　階段：主要采用巖棉、復(fù)合硅酸鹽氈與聚氨酯泡沫復(fù)合。工程事故教訓(xùn)說(shuō)明上述兩種材料存在兩大問(wèn)題，一是遇潮板結(jié)變形，二是支撐力不夠，特別較大管徑保溫管，很容易被埋土壓扁破壞，現(xiàn)在已基本不再用。

　　第二階段：采用微孔硅酸鈣瓦與聚氨酯泡沫復(fù)合。由于硅酸鈣瓦之間有縫隙，當(dāng)管道運(yùn)行后容易裂縫，造成局部熱流外泄，破壞有機(jī)保溫層和保護(hù)層，雖然采取了一些措施，但仍未能保證熱流不外泄問(wèn)題。

　　第三階段：多極化，“百花爭(zhēng)艷”，硅酸鈣、高密度玻璃棉管殼、硅珠復(fù)合材料等，現(xiàn)在正在通過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)。

　　2.2.3、通過(guò)上面敘述，說(shuō)明蒸汽管道結(jié)構(gòu)型式在摸索過(guò)程中，廣大供熱科技人員和開(kāi)發(fā)商，確實(shí)注入了大量心血，但是，究竟哪一種結(jié)構(gòu)型式為*呢？筆者認(rèn)為，目前還不是肯定哪一種結(jié)構(gòu)型式為*的時(shí)候。應(yīng)當(dāng)根據(jù)我國(guó)具體國(guó)情，繼續(xù)深入研究、實(shí)踐、總結(jié)。現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)所正組織部分科技人員編寫(xiě)。文件中蒸汽管道技術(shù)條件，只提出要求，并沒(méi)有肯定結(jié)構(gòu)型式。這很好，給今后深入研究、開(kāi)發(fā)留有空間，是實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

　　我國(guó)地域廣闊，氣候、水文、地質(zhì)條件差異很大，不能簡(jiǎn)單地像國(guó)外一些國(guó)家采用一種模式。筆者通過(guò)近二年對(duì)南方、沿海、西部等地區(qū)調(diào)研認(rèn)為，我國(guó)發(fā)展蒸汽管道直埋敷設(shè)技術(shù)，在考慮我國(guó)經(jīng)濟(jì)條件情況下，應(yīng)因地制宜。例如南方主要矛盾是防水問(wèn)題，沿海地區(qū)不僅有防水問(wèn)題，更關(guān)鍵是防止氯、硫氧化物腐蝕問(wèn)題，而西部地區(qū)突出土壤熱阻問(wèn)題。

　　沿海地區(qū)采用鋼套鋼型式，外護(hù)層防腐解決困難，而采用按“標(biāo)準(zhǔn)”制造的玻璃鋼外護(hù)層既能防水更能防腐，而城市主要街道地區(qū)敷設(shè)的管道和由電廠通過(guò)野外向城區(qū)輸送蒸汽的管道又不宜同等對(duì)待。前者要求嚴(yán)格些，后者則可簡(jiǎn)易些。西部地區(qū)干旱，地下水位低，解決的主要矛盾是土壤熱阻值等問(wèn)題，因此，保溫層采用廉價(jià)的材料，例如硅珠復(fù)合材料(硅珠與粉煤灰復(fù)合)。而外護(hù)層也不一定采用價(jià)高的鋼外護(hù)層，所以，不同地區(qū)當(dāng)選用蒸汽保溫結(jié)構(gòu)時(shí)，一定要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂?、水文、地質(zhì)、經(jīng)濟(jì)以及介質(zhì)溫度高低、管徑大小等，全面、認(rèn)真地進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較，論證后確定方案，不能盲目草率仿照其它地區(qū)。

　　2.3、對(duì)“外滑動(dòng)鋼套鋼”結(jié)構(gòu)型式的探討

　　目前，國(guó)內(nèi)采用的“外滑動(dòng)式鋼套鋼”結(jié)構(gòu)型式(鋼地溝)基本上是仿照國(guó)外直埋蒸汽管道型式，供熱行業(yè)為了實(shí)現(xiàn)“跨躍發(fā)展”，需要引進(jìn)*技術(shù)。但應(yīng)該認(rèn)真學(xué)習(xí)、吸收、消化后再“為我所用”，而不能簡(jiǎn)單地根據(jù)國(guó)外產(chǎn)品商業(yè)廣告說(shuō)明書(shū)，“看圖識(shí)字”、“照貓畫(huà)虎”。筆者通過(guò)與國(guó)外公司交流和國(guó)內(nèi)采用外滑動(dòng)式鋼套鋼直埋蒸汽管道工程調(diào)研發(fā)現(xiàn)，下列幾個(gè)問(wèn)題共同探討。

　蒸汽地埋管設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的思考與探討

　2.3.1、外套鋼管的防腐問(wèn)題：國(guó)外對(duì)外套鋼管防腐極為重視，要求嚴(yán)格，他們對(duì)鋼套管內(nèi)外側(cè)防腐都有措施。歐洲如德國(guó)，鋼套管外側(cè)是采用涂刷防腐材料后再纏HDPE，耐擊強(qiáng)度要求達(dá)到20000V以上(BULUC公司21000V)，內(nèi)側(cè)面則采用抽成真空(設(shè)真空泵房保持)，衰減腐蝕條件；美國(guó)則是在鋼套管外側(cè)面噴涂20～30mm厚聚氨脂絕緣層后再?lài)娡?span style="font-family:helvetica,sans-serif">2mm左右玻璃纖維樹(shù)脂(玻璃鋼)，類(lèi)似我國(guó)采用玻璃鋼做外護(hù)層的熱水預(yù)制保溫管，內(nèi)側(cè)面是采用抽真空或噴涂刷陶瓷防腐材料，外側(cè)防腐層耐擊穿強(qiáng)度也要求達(dá)到20000V以上。國(guó)內(nèi)目前鋼套管外側(cè)面只采用涂刷富鋅、環(huán)氧煤瀝青防腐涂料，據(jù)測(cè)試耐擊穿能力只有5000V左右，鋼套管內(nèi)側(cè)面防腐一般就不考慮了，而鋼套管內(nèi)側(cè)面由于處于高濕熱條件下，又有空氣，會(huì)加速鋼套管內(nèi)側(cè)面的腐蝕速度。國(guó)內(nèi)目前有個(gè)別廠家已經(jīng)注意到上述問(wèn)題。對(duì)鋼套管外側(cè)面已開(kāi)始采用類(lèi)似美國(guó)的方法，但鋼套管內(nèi)側(cè)面尚未加強(qiáng)防腐措施。因此，目前國(guó)內(nèi)對(duì)鋼套管的防腐措施，特別是在高水位地區(qū)，能否保證鋼套管達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)界定的蒸汽管道壽命大于20年，尚需我們拿出有利的科學(xué)依據(jù)。應(yīng)提醒：埋入地下的蒸汽管道三年五載不出問(wèn)題，并不等于20年沒(méi)問(wèn)題！因此，建議國(guó)內(nèi)同行應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)研究，拿出既適合國(guó)情，又保證外套鋼管壽命的科研成果。

　　2.3.2、鋼套管橢圓化變形帶來(lái)的麻煩和解決方法，根據(jù)材料力學(xué)理論，常規(guī)壁厚的鋼管當(dāng)直徑超700mm，會(huì)因橢圓效應(yīng)產(chǎn)生橢圓變形，使得力學(xué)計(jì)算復(fù)雜化。當(dāng)介質(zhì)溫度超過(guò)300℃，一般DN>400mm的工作管，鋼套管直徑就有可能超過(guò)700mm，鋼套管橢圓變形就會(huì)產(chǎn)生。埋地鋼套管橢圓化變形主要與兩個(gè)因素有關(guān)：A、鋼套管上面作用的垂直荷載，包括隨埋深增加而加大的土壤荷載和隨埋深增大而減小的車(chē)輛等活荷載；B、鋼管的截面參數(shù)，在相同的垂直荷載作用下，鋼管半徑越大，橢圓化變形越大，管壁越厚，橢圓化變形越小。

　　鋼套管橢圓化變形，如超過(guò)一定限值，會(huì)造成局部失穩(wěn)破壞，即使沒(méi)有達(dá)到失穩(wěn)破壞程度，如果預(yù)留縫隙與計(jì)算變形不符，滑動(dòng)支架變形、卡腿、斷腿必定會(huì)發(fā)生，造成管道系統(tǒng)破壞。

　　為了控制因橢圓化變形造成管道破壞，在進(jìn)行外滑動(dòng)鋼套結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)、生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)按有關(guān)規(guī)范，認(rèn)真計(jì)算，將橢圓化變形率控制在3%以內(nèi)，同時(shí)，滑動(dòng)支架與鋼管內(nèi)壁間隙應(yīng)與之適應(yīng)。關(guān)于計(jì)算方法及公式，將另文介紹。