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直埋蒸汽管保溫設(shè)計

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和環(huán)保要求的不斷提高，熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱因其效率高、環(huán)境 污染小而得到廣泛應(yīng)用。供熱管道的直埋敷設(shè)又由于其占地面積小、不影響市容景觀和城市 規(guī)劃、建材用量和土建費(fèi)用少、熱損耗低等優(yōu)點(diǎn)，在集中供熱領(lǐng)域引起各規(guī)劃、建設(shè)部門和 工程界的廣泛重視和應(yīng)用。熱水管道的直埋敷設(shè)技術(shù)在我國已得到廣泛應(yīng)用；但是高溫（>150 ℃）蒸汽管道的直埋敷設(shè)技術(shù)在國內(nèi)還處于起步探索階段。

 1 管道安裝方式的選用

1 管道安裝方式的選用

直埋敷設(shè)的供熱管道根據(jù)管系是否安裝補(bǔ)償器，可分為有補(bǔ)償安裝和無補(bǔ)償安裝， 選擇時主要根據(jù)管道中熱媒溫度的高低。由于蒸汽管道溫度大多超過 150 ℃，熱伸長量、 熱脹應(yīng)力、盲板力較大，采用無補(bǔ)償安裝方式，已不能滿足管系的熱膨脹性能及管材應(yīng)力的 安全性要求。按照《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 81-98）的要求，直埋熱力 管道的直管段的當(dāng)量應(yīng)力變化范圍應(yīng)滿足式(1)： δj=(1-ν)δt -αE(t2-t1)≤3［δ］(1)式中 δj——當(dāng)量應(yīng)力變化范圍，MPa 

ν——鋼材的泊松系數(shù)

α——鋼材的線性膨脹系數(shù)，m/m·℃ 

E——鋼材的彈性模量

t1——管道工作循環(huán)較高溫度，℃

 t2——管道工作循環(huán)較低溫度，℃

 δt——管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力，MPa

 ［δ］——鋼材的基本許用應(yīng)力，MPa 按照式(1)，若循環(huán)較低溫度按停運(yùn)時的 10 ℃計算，則管道工作循環(huán)較高溫度 t 1 允許達(dá)到 150 ℃,而大多直埋蒸汽管道的溫度大于 150 ℃,如河北省電力勘測設(shè)計研究院 設(shè)計的正定熱網(wǎng)工程的設(shè)計參數(shù)為：設(shè)計壓力 1.27 MPa，設(shè)計溫度 350 ℃，其直埋不能像 2 直埋熱水管道一樣允許有錨固段的存在，其設(shè)計中必須考慮整個管系熱應(yīng)力釋放措施，即采 用分離式的保溫結(jié)構(gòu)和在管系上安裝補(bǔ)償器，允許管道產(chǎn)生熱位移。

 國內(nèi)多例工程蒸汽直埋敷設(shè)都采用了有補(bǔ)償?shù)陌惭b方式，投產(chǎn)后運(yùn)行狀況良好，如： 河南開封經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)供熱工程(設(shè)計壓力 0.6 MPa，設(shè)計溫度 265 ℃）;石家莊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開 發(fā)區(qū)蒸汽管道直埋集中供熱工程(設(shè)計壓力 0.98 MPa，設(shè)計溫度 280 ℃）;武漢東湖開發(fā)區(qū) 熱電公司集中供熱工程(設(shè)計壓力 1.6 MPa，設(shè)計溫度 320 ℃），臨沂市集中供熱工程（部 分區(qū)段）(設(shè)計壓力 1.0  MPa，設(shè)計溫度 300 ℃），灤南熱網(wǎng)工程(設(shè)計壓力 1.27 MPa， 設(shè)計溫度 300 ℃）。因此，在實(shí)際高溫蒸汽直埋工程中應(yīng)采用有補(bǔ)償?shù)陌惭b方式，以確保 管系的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

 2 保溫層結(jié)構(gòu)的設(shè)計

2．1 保溫材料的選用 保溫材料的選用 高溫蒸汽管道的直埋敷設(shè)對保溫材料及結(jié)構(gòu)都。提出了較高要求。在實(shí)際工程設(shè)計 中，應(yīng)根據(jù)不同條件（如介質(zhì)溫度、運(yùn)行工況、地下水位、土壤特性等）進(jìn)行認(rèn)真比較。據(jù) 了解，高溫直埋敷設(shè)蒸汽管道事故起因多是保溫問題。如果保溫材料不耐水煮沸，進(jìn)入保溫 層的水在被蒸汽加熱到沸騰狀態(tài)后，將沿管道迅速蔓延，造成無機(jī)保溫層材料熱軟化和有機(jī) 保溫層材料聚氨酯破孔軟化，從而引起大范圍保溫材料破壞，導(dǎo)熱系數(shù)急劇增大，嚴(yán)重時地 面會出現(xiàn)冒汽現(xiàn)象。由此可見，保溫材料的耐煮沸及防水性能對高溫蒸汽管道直埋敷設(shè)的安 全性和可靠性有很大影響，是保證蒸汽管道安全工作的關(guān)鍵問題之一。

直埋敷設(shè)的熱水管道 常用的保溫材料聚氨酯（使用溫度 t≤120 ℃）和脲酸脂（使用溫度 t≤150 ℃）及瀝青珍 珠巖等材料都不能直接使用在直埋蒸汽管道上。實(shí)踐證明，普通的直埋保溫材料（如硅酸鋁 纖維氈、巖棉、膨脹珍珠巖、普通的微孔硅酸鈣制品等）是不耐熱水及沸水的，有的遇水板 結(jié)，有的浸水松散。另外，聚氨酯泡沫塑料在 55 ℃左右的熱水中即破孔軟化，減少或失去 保溫能力。所以，在蒸汽管道直埋工程的保溫材料選擇時應(yīng)注意選擇耐煮沸及防水性能好的 材料。關(guān)于此類材料目前國內(nèi)有多種產(chǎn)品，如采用新工藝生產(chǎn)的防水型硅酸鈣瓦和高密度無 堿玻璃棉，再如河南某公司的耐煮沸不吸水硅酸鎂機(jī)制品，而耐煮沸不吸水改性的聚氨酯泡 沫塑料在多個工程的應(yīng)用效果也都比較理想。其每 km 溫降在 10%左右，管溝地表溫度接近 環(huán)境溫度，地面作物、植物生長正常。

2．2 保溫層結(jié)構(gòu) 由于高溫直埋敷設(shè)的蒸汽管道所產(chǎn)生的熱伸長量大，保溫材料（如耐高溫的聚氨 酯）無法承受，所以管道熱脹冷縮保溫結(jié)構(gòu)在土壤壓力下固定不動時，管道應(yīng)能在保溫層內(nèi) 3 自由移動，以釋放熱應(yīng)力，保證管系的安全性，即工作鋼管與保溫材料外殼不像熱水直埋管 道一樣是一個整體，而形成脫開式的管中管結(jié)構(gòu)，一般在無機(jī)隔熱層與鋼管之間也要鋪設(shè)一 層耐高溫潤滑劑，以減少摩擦力。 為了保證高溫蒸汽直埋管道的安全運(yùn)行，其保溫結(jié)構(gòu)通常采用保溫復(fù)合結(jié)構(gòu)。內(nèi)滑 動的保溫復(fù)合結(jié)構(gòu)從里到外依次為：工作鋼管、高溫防銹層、無機(jī)潤滑層、空氣層、無機(jī)隔 熱層、高溫金屬反射層、有機(jī)保溫層、防水防腐外護(hù)層，在這種復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)中，耐高溫的 無機(jī)隔熱層將其表面溫度限制在外層有機(jī)保溫材料允許的安全溫度以下（<150 ℃），無機(jī) 潤滑層和空氣層減少了鋼管在熱脹冷縮時的摩擦力，防水防腐的外護(hù)層通常是耐腐蝕、耐壓 強(qiáng)度高的玻璃鋼或鋼套管。圖 1 為外滑動式的保溫結(jié)構(gòu)，從里到外依次為：工作鋼管、高溫 防銹層、無機(jī)保溫層、空氣層、防水防腐外護(hù)層。防水防腐的外護(hù)層通常是鋼套管。 

2.3 保溫層的排潮管設(shè)計

高溫蒸汽直埋管道復(fù)合保溫層結(jié)構(gòu)的排潮管設(shè)計好壞，直接影響到保溫層內(nèi)潮氣的 排出，進(jìn)而影響保溫效果。高溫蒸汽直埋管道復(fù)合保溫層的制做應(yīng)在工廠內(nèi)完成，現(xiàn)場只進(jìn) 行接頭的處理。盡管在制做過程中，對保溫材料等要進(jìn)行烘干，但是由于在制做、運(yùn)輸、堆 放等過程中，都可能造成外部水分進(jìn)入保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)部，因此合理的設(shè)置排潮管，在暖管排潮 期間保證內(nèi)保溫層中的潮汽迅速排盡是直埋管道可靠運(yùn)行的一個必要措施。排潮管的直徑范 圍通常為 20～50 mm，可視工作的管徑和排潮管設(shè)置的間距（通常在 30～50 mm 左右）確定。 排潮管在工作管道上的位置應(yīng)設(shè)置在管道位移較小處（固定支架附近），否則應(yīng)采取有效措 施防止其熱位移時破壞保溫層結(jié)構(gòu)，排潮管的引出位置可引至專設(shè)的小井內(nèi)或地面上。引至 地面上時應(yīng)防止影響交通或潮汽燙傷行人，同時還應(yīng)考慮排潮管的防灌（雨）水措施。4 排潮管與工作管的相對關(guān)系有 3 種：在圖 2(a)中排潮管末端和工作鋼管直接焊接， 較為簡潔；圖 2(b)中排潮管繞工作鋼管一圈焊接，其效果較好；圖 2(c)中排潮管沿工作鋼 管伸一定的長度焊接。3 種關(guān)系的共同點(diǎn)是在保溫層內(nèi)部的排潮管壁上均勻開孔，讓潮汽排 出。

3 種外護(hù)層的比較 種外護(hù)層的比較

目前，在國內(nèi)高溫蒸汽直埋敷設(shè)管道上應(yīng)用的外護(hù)層主要有 3 種形式：鋼套管外護(hù)、 玻璃鋼外護(hù)及高密度聚氯乙烯管外護(hù)。由于高密度聚氯乙烯管耐溫度較低，對溫度十分敏感， 其強(qiáng)度隨溫度變化較大，線性膨脹系數(shù)也大，隨溫度變化會造成自身開裂，使整個保溫層防 水失效，因此，不宜應(yīng)用在高溫蒸汽直埋敷設(shè)管道上，但在熱水直埋供熱管道上應(yīng)用較為普 遍。 在高溫蒸汽直埋敷設(shè)管道上應(yīng)用較多的外護(hù)層為鋼套管外護(hù)和玻璃鋼外護(hù)。二者的主要 區(qū)別在于前者在外滑動的保溫結(jié)構(gòu)（保溫層與工作鋼管一起相對于外護(hù)鋼管做同步位移，工 作鋼管承受的摩擦力基本上不受土壤壓力的影響）應(yīng)用較多；后者在內(nèi)滑動保溫結(jié)構(gòu)（工作 鋼管相對于保護(hù)層和保溫材料發(fā)生位移，工作鋼管承受的摩擦力要受到土壤壓力的影響）中 應(yīng)用較多。

鋼套管外護(hù)層存在的問題有：

a. 防腐問題。通常鋼套管外護(hù)層采用環(huán)氧煤瀝青刷漆，由于與土壤之間反 復(fù)摩擦，不久就會失去防腐能力，造成外護(hù)鋼管的腐蝕。

b. 管系中所有的管件（彎頭、三通、補(bǔ)償器等）及固定支架全部裝在鋼套 管中，并與工作鋼管焊接在一起，同時外護(hù)管也存在大量焊口需要焊接，由于是雙層鋼管結(jié) 構(gòu)，無法順利進(jìn)行 X 射線探傷檢查。 

c. 鋼套管外護(hù)層每 2～4 m 做一夾環(huán)支撐，支撐處保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)將明顯高于 其它地方，這樣，沿著管道就會形成數(shù)量很大的熱橋泄漏點(diǎn)，同時大量熱量傳到外鋼管上， 也加劇其腐蝕速度，減少管系的使用壽命。

d. 鋼套管外護(hù)層本身存在熱補(bǔ)償和溫度應(yīng)力問題，同時鋼外套在其溫度變 化過程中將加大管系中固定支架的受力。

e. 鋼套管外護(hù)層結(jié)構(gòu)及其防腐措施將提高工程造價。

相反，玻璃鋼外護(hù)層型結(jié)構(gòu)就不存在上述問題。但是由于玻璃鋼外護(hù)層沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī) 定，一些生產(chǎn)廠家粗制濫造。建設(shè)部已組織有關(guān)部門制定玻璃鋼外護(hù)管標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后， 將能夠規(guī)范廠家，提高產(chǎn)品質(zhì)量。另外，采用玻璃鋼外護(hù)層還有現(xiàn)場接口條件差、質(zhì)量難以 保證的問題。因此，可根據(jù)工程的實(shí)際需要，選擇適當(dāng)?shù)谋貙咏Y(jié)構(gòu)；但在防腐措施未過關(guān)的情 況下，建議優(yōu)先選用玻璃鋼外護(hù)層型結(jié)構(gòu)。

4 各節(jié)點(diǎn)端面的保溫防水設(shè)計

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，直埋管道保溫大多是從各節(jié)點(diǎn)端面開始出現(xiàn)問題的，所以各節(jié)點(diǎn) 端面的保溫防水設(shè)計在保溫設(shè)計中占有突出的位置。常說的節(jié)點(diǎn)端面包括工作鋼管與工作鋼 管、工作鋼管與各管件（三通、彎頭、大小頭）、工作鋼管與補(bǔ)償器的現(xiàn)場對接及排潮管的 連接等。高溫蒸汽直埋敷設(shè)管道的保溫結(jié)構(gòu)無論采用何種型式，都應(yīng)在工廠中制做完成。在 管道兩端留有 200～300 mm 的不保溫管段，管道焊接之后接頭在現(xiàn)場進(jìn)行處理，其處理方法 與熱水直埋管道現(xiàn)場接頭相同，主要有：保溫接頭套管法、熱收縮套管法、袋形套管法、接 口模塑發(fā)泡法等。具體制做及技術(shù)要求可參考熱水直埋管道的一些規(guī)程規(guī)定，但是其保溫層 結(jié)構(gòu)和材料必須同工作鋼管一致。

 5 蒸汽直埋敷設(shè)管道的報警系統(tǒng)

蒸汽直埋管道敷設(shè)在地下，在實(shí)際工作中很難了解管道及其保溫層結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀況。 為了及時發(fā)現(xiàn)問題，防止問題的擴(kuò)大，在保溫結(jié)構(gòu)中設(shè)置報警系統(tǒng)是必要的，圖 3 是一種常 用的溫度檢測報警系統(tǒng)。 6 該系統(tǒng)的工作原理是：若系統(tǒng)在運(yùn)行中發(fā)生管道泄漏、保溫層被破壞等事故，保溫層 的溫度將變化，傳感器會及時將保溫層溫度的變化情況經(jīng)光纖電纜傳到溫度檢測儀及微機(jī)系 統(tǒng)，使運(yùn)行檢修人員可及時找到準(zhǔn)確位置并進(jìn)行搶修。

 結(jié)束語

在選用高溫直埋蒸汽管道的保溫材料時，應(yīng)考慮到材料的耐煮沸性，外護(hù)層應(yīng)考慮 到其耐高溫（120 ℃）性，在保溫結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮層層防水的要求，一旦某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題， 不至于迅速蔓延到全線管道，為工程的維修帶來方便。