沈禹 劉俊松 劉炳南

機械工業(yè)第五設(shè)計研究院國際所

高溫蒸汽直埋管設(shè)計技術(shù)綜述

沈禹 劉俊松 劉炳南

機械工業(yè)第五設(shè)計研究院國際所

本文對國內(nèi)外150℃以上高溫蒸汽管道直埋敷設(shè)技術(shù)的發(fā)展作了綜述，文中對管道應(yīng)力計算作了較為系統(tǒng)的說明，對蒸汽管道直埋技術(shù)發(fā)展值得注意的幾個問題進(jìn)行闡述，最后介紹了桑萊特（天津）節(jié)能材料有限公司的蒸汽直埋技術(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù)。

蒸汽；直埋管；設(shè)計技術(shù)

前言

城鎮(zhèn)供熱管道直埋敷設(shè)方式與傳統(tǒng)的地溝敷設(shè)方式相比，具有占地少、施工周期短、便于維護管理和壽命長等諸多優(yōu)點，很適合城市建設(shè)的要求，在我國已得到廣泛應(yīng)用。150℃以下供熱熱水管道直埋敷設(shè)技術(shù)，自上世紀(jì)80年代在我國推廣，現(xiàn)已臻成熟。本世紀(jì)初150℃以上高溫蒸汽管道直埋敷設(shè)技術(shù)，隨著國民經(jīng)濟發(fā)展，在技術(shù)研究、引進(jìn)消化吸收、工程實踐等方面也獲得很大發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)東起大連、上海，西至新疆烏魯木齊、克拉瑪依油田，北起牡丹江、哈爾濱，南至四川綿陽、廣東廣州等地已有大量直埋蒸汽管道在運行，其規(guī)模（長度、管徑、保溫形式）已進(jìn)入世界先進(jìn)行列，取得十分寶貴的經(jīng)驗。但是，現(xiàn)在國家還未能為高溫蒸汽直埋管道制定出一套完整的設(shè)計、施工及驗收的技術(shù)規(guī)范，這顯然與國內(nèi)高速發(fā)展的經(jīng)濟建設(shè)很不適應(yīng)。

蒸汽管道直埋技術(shù)發(fā)展值得注意的幾個問題：

蒸汽管道直埋技術(shù)是一項涉及熱力學(xué)、材料力學(xué)、巖土力學(xué)、流體力學(xué)以及有機材料、無機材料、防腐、電化學(xué)等多學(xué)科的系統(tǒng)工程，而且投入生產(chǎn)是動態(tài)運行，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)雜得多，如有處理不當(dāng)，就會立即或即將造成工程事故，隱患性很大?，F(xiàn)就文獻(xiàn)反映的主要問題歸納如下。

1.關(guān)于保溫結(jié)構(gòu)計算

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)是向無限空間傳熱，地溝敷設(shè)是熱介質(zhì)通過保溫材料、流動空氣層、溝壁等以不同傳熱方式向周圍土壤傳熱，而直埋敷設(shè)，簡化講熱介質(zhì)是向周圍土壤按一維穩(wěn)定傳熱，土壤可視為保溫結(jié)構(gòu)一部分。以目前國內(nèi)常用的內(nèi)滑動式復(fù)合結(jié)構(gòu)直埋蒸汽管道為例，計算過程中首先應(yīng)劃定三個界面溫度（見圖1）。

圖1

無機保溫材料與有機保溫材料接觸處可視為第一界面，外保護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。計算時應(yīng)先控制三個界面溫度，第一界面溫度控制在有機材料耐溫能力以下；第二界面溫度應(yīng)控制保護層的防腐、防水及機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因界面溫度升高而使得管道周圍土壤熱阻值提高，從而造成第一、二界面溫度升高破壞保溫結(jié)構(gòu)。在保溫結(jié)構(gòu)計算過程中，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。而應(yīng)根據(jù)國家在節(jié)能50%基礎(chǔ)上要求熱網(wǎng)輸送效率達(dá)到90%以上的規(guī)定，且結(jié)合用戶實際要求確定經(jīng)濟合理的管道熱損失，作為保溫層厚度的依據(jù)。

1.2 保溫計算中，對土壤、保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)選取不能草率，這兩個系數(shù)的選取正確與否，往往影響保溫效果和管道運行安全性。

土壤的導(dǎo)熱系數(shù)在0.55～2.5w／m·k之間，數(shù)值取值范圍很大，其大小與土壤種類、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)計時應(yīng)堅持實測當(dāng)?shù)赝寥缹?dǎo)熱系數(shù)或求助當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)部門提供資料，認(rèn)真確定土壤導(dǎo)熱系數(shù)值。

對各種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，不能簡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，哪一級檢測部門測定的，是否有導(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)熱方程式來選取、確定導(dǎo)熱系數(shù)。

2.保溫結(jié)構(gòu)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“脫開式”，即工作鋼管與保溫層或外護層脫開，因此合理選擇保溫結(jié)構(gòu)，異常重要。

2.1 國外基本是用鋼管式外護層

德國、美國采用外滑動式，即綁縛著保溫材料的工作鋼管在鋼外護層內(nèi)滑動。只有意大利薩克索姆公司是采用工作鋼管在保溫層內(nèi)滑動，即內(nèi)滑動式。實事求是講，國外對于蒸汽直埋管道技術(shù)基礎(chǔ)理論研究及實驗并不深入，只是由于他們國家的經(jīng)濟條件、技術(shù)條件等優(yōu)越，制造工藝精細(xì)，外防腐技術(shù)指標(biāo)高，施工要求嚴(yán)格，所以工程質(zhì)量有保障，但工程造價也較高。

2.2 我國對于蒸汽管道直埋技術(shù)的研究與開發(fā)，是摸索前進(jìn)的，保溫結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展，大致分為三個階段。

外護層：

第一階段：采用“塑套鋼”形式，即外護層采用高密度聚乙烯，工程實踐發(fā)現(xiàn)，聚乙烯耐溫能力太差，當(dāng)局部熱流外泄，很容易造成外護層蠕變、鼓脹破壞，聚乙烯做外護層不適用于蒸汽管道，目前已成為共識。

第二階段：采用玻璃鋼作為外護層，耐溫能力大大高于聚乙烯，加工工藝由于是采用纏撓式，與采用聚乙烯管作保護層需要穿管相比，可以克服偏心，質(zhì)量有保證。但由于對玻璃鋼制造工藝機理了解不透，采用了簡陋方式，同時，玻璃鋼外護層標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)時還沒有頒布，制造的玻璃鋼外護層質(zhì)量低下，運輸、安裝過程不規(guī)范，出現(xiàn)局部開裂破壞，動搖了采用玻璃外護層的信心。

第三階段：依照國外采用鋼外護層，即“鋼管地溝”形式。由于國情所限，完全依照國外，使用單位經(jīng)濟難以承受，制造企業(yè)只能簡易從事，但它的“優(yōu)勢”是前二年、三年不易發(fā)現(xiàn)問題，于制造商保一個運行周期有利，所以目前采用這種形式較多。這種形式的可靠性究竟如何？應(yīng)該去分析研究，諸如結(jié)構(gòu)力學(xué)、防腐、防潮、維護檢修等問題，尚需深入探討。

保溫層：

第一階段：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)說明上述兩種材料存在兩大問題，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)管道運行后容易形成裂縫，造成局部熱流外溢，破壞有機保溫層和保護層，雖然采取了一些措施，但仍未能解決熱流不外溢問題。

第三階段：采用硅酸鈣、高密度玻璃棉管殼、硅珠復(fù)合材料等，現(xiàn)在正在通過實踐檢驗。

2.3 通過上面敘述，說明直埋蒸汽管道結(jié)構(gòu)仍在摸索過程中，廣大供熱科技人員和開發(fā)商，確實注入了大量心血，但是，究竟哪一種結(jié)構(gòu)為最優(yōu)呢？目前還沒有定論，因此尚應(yīng)根據(jù)我國國情，繼續(xù)深入研究、實踐、總結(jié)?，F(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)所正組織人員編寫有關(guān)文件，文件中對蒸汽管道技術(shù)條件，只提出要求，并沒肯定結(jié)構(gòu)，給今后深入研究、開發(fā)留有空間。

我國地域廣闊，氣候、水文、地質(zhì)條件差異很大，不能簡單地推廣采用統(tǒng)一的模式，發(fā)展蒸汽管道直埋敷設(shè)技術(shù)，在考慮國家經(jīng)濟條件情況下，應(yīng)因地制宜。

3.對“外滑動鋼套鋼”結(jié)構(gòu)的探討

3.1 外套鋼管的防腐問題：國外對外套鋼管防腐極為重視，要求嚴(yán)格，他們對鋼套管內(nèi)外側(cè)防腐都有措施。歐洲，如德國，外套鋼管外側(cè)是采用涂刷防腐材料后纏HDPE，耐電擊穿強度要求達(dá)到2000OV以上(UBLUC公司2l0OOV)，管內(nèi)則要求抽成真空(設(shè)真空泵房)，衰減腐蝕條件；美國則是在外套鋼管外側(cè)面噴涂20～30mm厚聚氰脂絕緣層后再噴涂2mm左右玻璃纖維樹脂(玻璃鋼)，類似我國采用玻璃鋼做外護層的熱水預(yù)制保溫管，內(nèi)側(cè)面是采用抽真空或噴涂陶瓷防腐材料，外側(cè)防腐層電擊穿強度也要求達(dá)到20000V以上。國內(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)測試耐電擊穿能力只有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，會加速鋼套管內(nèi)側(cè)面的腐蝕。國內(nèi)目前有個別廠家已經(jīng)注意到上述問題。對鋼套管外側(cè)面己開始采用類似美國的方法，但鋼套管內(nèi)側(cè)面尚未加強鋼套管防腐措施，因此，目前國內(nèi)對鋼套管的防腐，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.尚需拿出有利的科學(xué)依據(jù)。

3.2 鋼套管橢圓化變形帶來的問題和解決方法。根據(jù)材料力學(xué)理論，常規(guī)壁厚的鋼管當(dāng)直徑超過700mm.會因橢圓效應(yīng)產(chǎn)生橢圓變形.使得力學(xué)計算復(fù)雜化。當(dāng)介質(zhì)溫度超過300℃，一般DN>400mm的工作管，鋼套管直徑就有可能超過700mm，鋼套管橢圓變形就會產(chǎn)生。埋地鋼套管橢圓化變形主要與兩個因素有關(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.如超過一定限值，會造成局部失穩(wěn)破壞，即使沒有達(dá)到失穩(wěn)破壞程度，如果預(yù)留縫隙與計算變形不符，滑動支架變形、卡腿、斷腿必定會發(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)行外滑動鋼套管結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)時，應(yīng)按有關(guān)規(guī)范，認(rèn)真計算。將橢圓化變形率控制在3%以內(nèi)，同時，滑動支架與鋼管內(nèi)壁間隙應(yīng)與之適應(yīng)。

3.3 國外對保溫材料如何長期包縛在工作鋼管上，是有著嚴(yán)格技術(shù)措施的，他們采用特殊的防腐蝕鋼材帶包縛保溫材料，間距也有具體要求。如果簡單地用細(xì)鉛絲或塑料帶包縛保溫材料，在高濕熱條件下，經(jīng)過一段時間的鉛絲銹斷，塑料帶老化，造成保溫材料脫落，保溫結(jié)構(gòu)破壞。

3.4 內(nèi)工作鋼管保溫層外表面與鋼套管內(nèi)壁的間距尺寸并不隨意，而是將這個空間作為輻射傳熱的隔熱層，空間不能產(chǎn)生氣流流動。國外是抽真空達(dá)到防止氣流產(chǎn)生，國內(nèi)由于條件所限，采用抽真空措施.暫時還難以實現(xiàn)。但預(yù)留的空氣層厚度不能隨意，一般不大于20mm，以防止空氣對流產(chǎn)生，提高隔熱效果。

3.5 某些節(jié)點處理也存在不安全性和檢修難。如將波紋補償器安裝在外鋼套管內(nèi)，一旦破壞，如何確定位置、如何檢修均無明確、成熟的方法，其它像管內(nèi)固定支架、疏水裝置等同樣存在上述問題。

4.關(guān)于內(nèi)固定支架

由于蒸汽管道熱伸長量大，為了保證管道有效地實現(xiàn)熱脹冷縮，需要設(shè)置固定支架。（見圖2）如果還是按外固定設(shè)置方法，由于蒸汽管道溫度高，補償段短，固定墩設(shè)置多，尺寸大，這樣一是增大工程量，二是造成施工難度?，F(xiàn)將兩個技術(shù)問題予以簡要說明。

圖2

4.1 計算理論依據(jù)：根據(jù)彈性力學(xué)理論，內(nèi)固定支架是采用薄壁小圓環(huán)理論進(jìn)行計算，這種計算方法的邊界條件要求內(nèi)外鋼環(huán)必須緊密結(jié)合，受力均勻，但施工過程中很難達(dá)到要求，如果采取沿管道周邊分幾片組成不連續(xù)圓環(huán)，更不可能達(dá)到邊界條件要求。所以需要進(jìn)一步研究、探討可以滿足計算邊界要求的施工技術(shù)措施，否則運行后會產(chǎn)生不安全因素。

4.2 為了防止冷橋作用，熱流外泄，內(nèi)固定支架的內(nèi)外環(huán)間一般采用石棉橡膠墊隔熱。這樣做有兩個問題需要考慮。

（1）石棉橡膠熱老化問題。一般蒸汽管道壽命界定大于20年，石棉橡膠墊肯定達(dá)不到，一旦石棉橡膠墊老化、粉化，不僅隔熱目的達(dá)不到，而且造成結(jié)構(gòu)破壞，影響管道安全運行。

（2）根據(jù)石棉橡膠墊導(dǎo)熱系數(shù)計算，每l0mm只能隔熱26℃左右，如果介質(zhì)溫度高，又要控制外套鋼管的表面溫度，則石棉橡膠墊需要很厚，難以實現(xiàn)。

5.固定墩微量變形與力衰減

即使采用了固定支架方法，一個管網(wǎng)總是有的地方還要采用外固定支架，例如拐彎處、出士端等。由于蒸汽管道產(chǎn)生的熱應(yīng)力高，特別是大管徑管道產(chǎn)生的推力數(shù)以百噸計，如果按固定墩沒有微量位移進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算。大管徑固定墩的尺寸會非常大，甚至無法實施。土壤不是剛性體.埋在土內(nèi)的固定墩，在推力作用下，事實上是會產(chǎn)生微量變形的，如果主觀不承認(rèn)這個客觀事實，是不科學(xué)的。建議采用允許固定墩微量位移的方法設(shè)計固定墩，以達(dá)到推力大幅度衰減的目的，這一觀點已逐步被國內(nèi)外接受。

6. 桑萊特公司蒸汽管道直埋技術(shù)簡介

桑萊特(天津)節(jié)能材料有限公司與“德國FW-遠(yuǎn)程輸送技術(shù)股份有限公司”合作，在國內(nèi)最新引進(jìn)、開發(fā)了“鋼套鋼-外滑動(滾動型)-抽真空保溫結(jié)構(gòu)”。該結(jié)構(gòu)采用抽真空設(shè)備，定期將內(nèi)外鋼套管間環(huán)狀空間的濕空氣抽出，并形成一定的負(fù)壓。這種抽氣系統(tǒng)可以減少外套鋼管內(nèi)層壁面的熱、濕腐蝕，提高保溫管道的使用壽命；同時，內(nèi)外鋼套管間的真空層幾乎杜絕了空氣層存在的熱傳導(dǎo)和熱對流，極大地降低了熱損失，使直埋管道的整體保溫性能大幅度提高。與采用同等結(jié)構(gòu)形式未抽真空的該公司同類產(chǎn)品相比，在同等保溫厚度下，可以降低外壁溫度8～13℃。由于克服了外套管內(nèi)壁腐蝕，產(chǎn)品壽命可達(dá)30年。

[1]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范 （CJJ34-2010）

[2]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程 （CJJ/T81-98）

[3]機械工業(yè)第五設(shè)計研究院國際所.直埋敷設(shè)熱力管道技術(shù)資料,2006年6月

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.074