高溫蒸汽直埋管設計技術綜述

沈禹 劉俊松 劉炳南

機械工業(yè)第五設計研究院國際所

高溫蒸汽直埋管設計技術綜述

沈禹 劉俊松 劉炳南

機械工業(yè)第五設計研究院國際所

本文對國內外150℃以上高溫蒸汽管道直埋敷設技術的發(fā)展作了綜述，文中對管道應力計算作了較為系統的說明，對蒸汽管道直埋技術發(fā)展值得注意的幾個問題進行闡述，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和相關數據。

蒸汽；直埋管；設計技術

前言

城鎮(zhèn)供熱管道直埋敷設方式與傳統的地溝敷設方式相比，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，很適合城市建設的要求，在我國已得到廣泛應用。150℃以下供熱熱水管道直埋敷設技術，自上世紀80年代在我國推廣，現已臻成熟。本世紀初150℃以上高溫蒸汽管道直埋敷設技術，隨著國民經濟發(fā)展，在技術研究、引進消化吸收、工程實踐等方面也獲得很大發(fā)展。據不完全統計，國內東起大連、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）已進入世界先進行列，取得十分寶貴的經驗。但是，現在國家還未能為高溫蒸汽直埋管道制定出一套完整的設計、施工及驗收的技術規(guī)范，這顯然與國內高速發(fā)展的經濟建設很不適應。

蒸汽管道直埋技術發(fā)展值得注意的幾個問題：

蒸汽管道直埋技術是一項涉及熱力學、材料力學、巖土力學、流體力學以及有機材料、無機材料、防腐、電化學等多學科的系統工程，而且投入生產是動態(tài)運行，所以蒸汽管道直埋敷設與熱水管道直埋敷設相比較，技術復雜得多，如有處理不當，就會立即或即將造成工程事故，隱患性很大?，F就文獻反映的主要問題歸納如下。

1.關于保溫結構計算

1.1 蒸汽管道直埋敷設與架空、地溝敷設傳熱狀態(tài)不同，架空敷設是向無限空間傳熱，地溝敷設是熱介質通過保溫材料、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，簡化講熱介質是向周圍土壤按一維穩(wěn)定傳熱，土壤可視為保溫結構一部分。以目前國內常用的內滑動式復合結構直埋蒸汽管道為例，計算過程中首先應劃定三個界面溫度（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構。在保溫結構計算過程中，應校核當地極高、極低環(huán)境溫度的影響，必要時應適當調整保溫結構各層保溫材料的厚度，以確保保溫結構安全。而應根據國家在節(jié)能50%基礎上要求熱網輸送效率達到90%以上的規(guī)定，且結合用戶實際要求確定經濟合理的管道熱損失，作為保溫層厚度的依據。

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

土壤的導熱系數在0.55～2.5w／m·k之間，數值取值范圍很大，其大小與土壤種類、含水量大小、化學成分、埋設條件等多種因素有關。在工程設計時應堅持實測當地土壤導熱系數或求助當地地質部門提供資料，認真確定土壤導熱系數值。

對各種保溫材料的導熱系數，不能簡單以廠家提供的單體數值為準，而應搞清楚該數值是在何種溫度，何種條件，哪一級檢測部門測定的，是否有導熱系數方程式，然后盡量參照行業(yè)標準確定的導熱方程式來選取、確定導熱系數。

2.保溫結構選擇應因地制宜

由于蒸汽管道介質溫度高，保溫結構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構，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滑動，即內滑動式。實事求是講，國外對于蒸汽直埋管道技術基礎理論研究及實驗并不深入，只是由于他們國家的經濟條件、技術條件等優(yōu)越，制造工藝精細，外防腐技術指標高，施工要求嚴格，所以工程質量有保障，但工程造價也較高。

2.2 我國對于蒸汽管道直埋技術的研究與開發(fā)，是摸索前進的，保溫結構形式的發(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，聚乙烯耐溫能力太差，當局部熱流外泄，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，玻璃鋼外護層標準當時還沒有頒布，制造的玻璃鋼外護層質量低下，運輸、安裝過程不規(guī)范，出現局部開裂破壞，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？應該去分析研究，諸如結構力學、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、復合硅酸鹽氈與聚氨酯泡沫復合。工程事故教訓說明上述兩種材料存在兩大問題，一是遇潮板結變形.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合。由于硅酸鈣瓦之間有縫隙，當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、硅珠復合材料等，現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構仍在摸索過程中，廣大供熱科技人員和開發(fā)商，確實注入了大量心血，但是，究竟哪一種結構為最優(yōu)呢？目前還沒有定論，因此尚應根據我國國情，繼續(xù)深入研究、實踐、總結?，F在標準所正組織人員編寫有關文件，文件中對蒸汽管道技術條件，只提出要求，并沒肯定結構，給今后深入研究、開發(fā)留有空間。

我國地域廣闊，氣候、水文、地質條件差異很大，不能簡單地推廣采用統一的模式，發(fā)展蒸汽管道直埋敷設技術，在考慮國家經濟條件情況下，應因地制宜。

3.對“外滑動鋼套鋼”結構的探討

3.1 外套鋼管的防腐問題：國外對外套鋼管防腐極為重視，要求嚴格，他們對鋼套管內外側防腐都有措施。歐洲，如德國，外套鋼管外側是采用涂刷防腐材料后纏HDPE，耐電擊穿強度要求達到2000OV以上(UBLUC公司2l0OOV)，管內則要求抽成真空(設真空泵房)，衰減腐蝕條件；美國則是在外套鋼管外側面噴涂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制保溫管，內側面是采用抽真空或噴涂陶瓷防腐材料，外側防腐層電擊穿強度也要求達到20000V以上。國內目前鋼套管外側面只采用涂刷富鋅、環(huán)氧煤瀝青防腐涂料，據測試耐電擊穿能力只有5000V左右，鋼套管內側面防腐一般就不考慮了，而鋼套管內側面由于處于高濕熱條件下，又有空氣，會加速鋼套管內側面的腐蝕。國內目前有個別廠家已經注意到上述問題。對鋼套管外側面己開始采用類似美國的方法，但鋼套管內側面尚未加強鋼套管防腐措施，因此，目前國內對鋼套管的防腐，特別是在高水位地區(qū)，能否保證鋼套管達到標準界定的蒸汽管道壽命大于20年.尚需拿出有利的科學依據。

3.2 鋼套管橢圓化變形帶來的問題和解決方法。根據材料力學理論，常規(guī)壁厚的鋼管當直徑超過700mm.會因橢圓效應產生橢圓變形.使得力學計算復雜化。當介質溫度超過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生。埋地鋼套管橢圓化變形主要與兩個因素有關：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，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，即使沒有達到失穩(wěn)破壞程度，如果預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，造成管道系統破壞。

為了控制因橢圓化變形造成管道破壞，在進行外滑動鋼套管結構設計、生產時，應按有關規(guī)范，認真計算。將橢圓化變形率控制在3%以內，同時，滑動支架與鋼管內壁間隙應與之適應。

3.3 國外對保溫材料如何長期包縛在工作鋼管上，是有著嚴格技術措施的，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。如果簡單地用細鉛絲或塑料帶包縛保溫材料，在高濕熱條件下，經過一段時間的鉛絲銹斷，塑料帶老化，造成保溫材料脫落，保溫結構破壞。

3.4 內工作鋼管保溫層外表面與鋼套管內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，空間不能產生氣流流動。國外是抽真空達到防止氣流產生，國內由于條件所限，采用抽真空措施.暫時還難以實現。但預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，一旦破壞，如何確定位置、如何檢修均無明確、成熟的方法，其它像管內固定支架、疏水裝置等同樣存在上述問題。

4.關于內固定支架

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

圖2

4.1 計算理論依據：根據彈性力學理論，內固定支架是采用薄壁小圓環(huán)理論進行計算，這種計算方法的邊界條件要求內外鋼環(huán)必須緊密結合，受力均勻，但施工過程中很難達到要求，如果采取沿管道周邊分幾片組成不連續(xù)圓環(huán)，更不可能達到邊界條件要求。所以需要進一步研究、探討可以滿足計算邊界要求的施工技術措施，否則運行后會產生不安全因素。

4.2 為了防止冷橋作用，熱流外泄，內固定支架的內外環(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，石棉橡膠墊肯定達不到，一旦石棉橡膠墊老化、粉化，不僅隔熱目的達不到，而且造成結構破壞，影響管道安全運行。

（2）根據石棉橡膠墊導熱系數計算，每l0mm只能隔熱26℃左右，如果介質溫度高，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。

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。由于蒸汽管道產生的熱應力高，特別是大管徑管道產生的推力數以百噸計，如果按固定墩沒有微量位移進行結構計算。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.埋在土內的固定墩，在推力作用下，事實上是會產生微量變形的，如果主觀不承認這個客觀事實，是不科學的。建議采用允許固定墩微量位移的方法設計固定墩，以達到推力大幅度衰減的目的，這一觀點已逐步被國內外接受。

6. 桑萊特公司蒸汽管道直埋技術簡介

桑萊特(天津)節(jié)能材料有限公司與“德國FW-遠程輸送技術股份有限公司”合作，在國內最新引進、開發(fā)了“鋼套鋼-外滑動(滾動型)-抽真空保溫結構”。該結構采用抽真空設備，定期將內外鋼套管間環(huán)狀空間的濕空氣抽出，并形成一定的負壓。這種抽氣系統可以減少外套鋼管內層壁面的熱、濕腐蝕，提高保溫管道的使用壽命；同時，內外鋼套管間的真空層幾乎杜絕了空氣層存在的熱傳導和熱對流，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。與采用同等結構形式未抽真空的該公司同類產品相比，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壁腐蝕，產品壽命可達30年。

[1]中華人民共和國行業(yè)標準.城鎮(zhèn)供熱管網設計規(guī)范 （CJJ34-2010）

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

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

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.074