论直埋蒸汽管道的设计

论直埋蒸汽管道的设计
论直埋蒸汽管道的设计
目前在我国，直埋蒸汽管道技术已越来越多地得到应用，尽管如此，该项技术仍不成熟，在国内还处于起步阶段，国家还没有制定专门的、统一的技术规范。

笔者近几年就直埋蒸汽管道的生产及应用在国内外作了多次调研，并先后作了天津市利顺德饭店及小白楼蒸汽管道直埋工程的设计，通过调研及工程实践，对直埋蒸汽管道技术有了逐步深入的认识。

国内一些蒸汽管道直埋的技术论文在介绍蒸汽直埋保温管道的结构时，将其结构类型划分为两大类：一类是滑动界面在工作钢管与保温材料之间的复合保温结构；另一类是滑动界面在管道滑动支座与钢外套管内壁之间的“钢管沟”结构。

笔者所做的上述两项工程均采用的是复合保温结构的预制保温管，这里结合工程实践单就这一类型的直埋蒸汽管道的工程设计谈一谈笔者的认识、体会。

1、直埋蒸汽管道设计的基本原则：
1.1、直埋蒸汽管道与直埋热水管道的设计方法有着根本的区别
1.1.1、因管网运行参数不同而造成的区别：
直埋蒸汽管道所输送的均为高温蒸汽介质，因其温度高，所以设计方法不同于直埋热水管道。

首先，按照我国国家建设部颁布的《城市直埋供热管道工程技术规程》CJJ/T81-98的规定，直埋热力管道的直管段的当量应力变化范围应满足下式：
σj＝(1－V)σt－aE(t2－t1)3σ［σ］
式中：
σj-内压、热胀应力的当量应力变化范围(MPa);
v-钢材的泊松系数;
a-钢材的线膨胀系数(m/m.℃)；
E-钢材的弹性模量(MPa);
t1-管道工作循环最高温度(℃);
t2-管道工作循环最低温度(℃);
σt-管道内压引起的环向应力(MPa)
［σ］-钢材在计算温度下的基本许用应力(MPa)。

按照上式，若循环最低温度按停运时的10℃计算，则管道循环最高温度t1允许达到150℃，而按照我市第一热电厂所供蒸汽温度-296℃计算，显然不能满足上式。

因此，直埋蒸汽管道的设计不能象直埋热水管道那样允许有锚固段存在，直埋蒸汽管道的设计必须使整个管系的热应力释放掉，即管道必须能产生热位移。

此外，由于高温蒸汽管道的计算温差远远大于热水管道的计算温差，并且钢材的线膨胀系数也随温度升高而有所增大，因此相同长度管道的热伸长量，296℃的蒸汽管道比150℃的热水管道大一倍多。

由于受补偿器补偿能力的限制，直埋蒸汽管道固定墩的间距比直埋热水管道要小得多。

1.1.2因管道保温结构不同而形成的区别：
众所周知，直埋热水管道使用的是“三位一体”的预制保温管，即聚氨脂保温层紧密地粘结在工作钢管的外表面。

但由于聚氨脂的耐热温度最高为140℃，因此直埋蒸汽管道只能做成包裹式的复合保温结构，即必须使用耐高温的保温材料，这种包裹式的结构使得工作钢管与保温层必然是脱开的，仅此一点区别就决定了直埋蒸汽管道不能按照直埋热水管道的设计方法进行设计。

1.2、直埋蒸汽管道的设计思路：
综上所述直埋蒸汽管道不能采用直埋热水管道的设计方法，因此我们对直埋蒸汽管
道设计的基本构思借鉴了地沟与架空管道的设计方法，同时又特别明确了它与地沟或架空管道的设计方法也存在着区别。

主要的区别是直埋蒸汽管道的保温结构对管道热膨胀及管道补偿方式的影响及限制。

此外，地沟及架空管道两固定点之间的最大长度是由管道失稳条件决定的，它与管径的大小及补偿器的补偿能力有关，而直埋蒸汽管道两固定点之间的最大长度在受补偿器补偿能力的限制的同时也受管道保温结构的约束。

例如，由于保温结构对直管段及弯头的径向位移空间的限制，使得直埋蒸汽管道不能象地沟或架空管道那样可以利用管网的实际路由走向选择不同形式的补偿器，直埋蒸汽管道的补偿器只能采用轴向型的，自然补偿管段也只能设计得较短。

而直埋蒸汽管道的强度验算和地沟或架空敷设的设计方法是一致的，即采用弹性分析的方法，工程实践证明这种设计方法是可靠的。

2、合理地选择预制复合保温管道是直埋蒸汽管道工程设计的关键：
当我们做一项工程设计时，首先要根据工程的实际情况合理选择复合保温管，确认它的保温结构、材料及其性能能满足设计参数及工程特性的要求，并根据管网的布置状况向生产厂家明确提出管系及特殊管件的具体要求。

直埋蒸汽管道对管道的保温材料及保温结构的基本要求是，保温材料本身的性能优良，具有较强的憎水性，并且在特殊环境(如高温)下其自身特性变化不大；保温管道的整体结构要具有足够的机械强度；外保护套要有可靠的防腐能力和承内压、外载能力。

此外，直埋蒸汽管道还应满足以下要求：
2.1、管道在保温层内能够充分地滑动管道在工作时因温度的变化会出现热胀冷缩，在直管段上产生轴向位移，在弯头及其附近会有轴向位移和径向位称同时产生。

为了保证管系热应力的充分释放同时减小管道对固定墩的推力，要求管道与保温层之间的滑动摩擦系数要低。

现生产厂家多采用在管道与保温层之间设减阻层的方法，效果好的可将摩擦系数减小到0.3以下。

当弯头处采取自然补偿的方式时，要求弯
头及其两侧一定长度的管道要有足够的轴向位移及径向位移的空间。

2.2、要保证管道保温结构本身和周围土壤的温度场的要求
由于直埋蒸汽管道的介质温度高，如不有效地控制保温结构各环节的温度，就会造成保温管道的保温层、外防护层的破坏，严重时可导致管网全线破坏。

例如复合预制保温管的低温保温层一般都采用聚氨脂，其最高适用温度是140℃，如果该界面温度超过140℃并长期运行，就会造成聚氨脂碳化、强度减弱、保温失效。

此外，管道外表面温度升高时，对其混凝土固定墩、管道周围的电缆、上、下水管等都会造成影响甚至破坏。

因此设计直埋蒸汽管道时，一定要对管道的整体及局部的温度控制(向保温管生产厂)提出明确要求。

2.3、要具有排潮装置
保温管在工厂生产、运输及安装过程中不可避免地含有或吸收一些潮气甚至少量水分，这些潮气或水分在管道运行时经管内蒸汽加热就会形成蒸汽，如不及时迅速地排除出去，就会使保温层间的温度、压力升高，甚至破坏保温结构。

2.4要有可靠的外防护层
目前，国内使用的复合预制保温管的外保护套有三种材料，即聚乙烯、玻璃钢、钢。

玻璃钢材料现在国家还没有制定统一的技术标准，质量不易保证；采用聚乙烯外套则管件与管道的(外套)接口不好处理，如固定节与管道、补偿器与管道的接口处，这些接口如处理不好，运行过程中地下水就会渗入管道保温层并形成蒸汽，严重时会导致管网全线报废；钢外套虽然严密但工程造价高，并且外防腐如果处理不好就不能保证管网的使用寿命，同时由于钢外套本身温度应力的作用，管道的固定墩比聚乙烯外套的预制保温管大很多。

综上所述，我们在进行设计时，要根据工程的具体情况进行分析比较，确定使
用哪种外防护套，并根据外防护套的材料提出对管件结构的要求。

3、直埋蒸汽管道工程的设计：
在上述设计基本原则的构思指导下，管系的整体设计过程是在管网水力计算、强度验算后，根据管网的路由走向，结合工程的实际状况和特定的外界条件，合理地设置管道的热补偿及所有管件。

3.1、将管网合理地划分成若干个封闭的保温管段
因为复合预制保温管道的结构是管道与保温层之间是有位移空隙的，管网在运行时一但某一点发生蒸汽管道泄漏或外防护层破损外漏，则热媒蒸汽或地下水受热汽化就会通过管道与保温层之间的这一“通道”遍布整个管网，严重时会使整个管网遭受损失。

将管网分成若干个封闭的保温管段，就能够缩小事故的影响段，便于查找事故点。

因此我们在工程设计中，根据现场的具体条件，将每一对固定墩之间及主干线与支线之间都设计成封闭的保温管段。

3.2、管网热补偿的设计：
如前所述，由于受管道保温结构的限制，管网直管段的补偿器只能采用直埋式轴向型的。

按照通常做法，轴向型波纹补偿器都布置在固定支架旁以防止其轴向失稳，但笔者认为，这种布置方法对波纹补偿器的每个波节吸收位移的工作受力传递不均，发挥的补偿能力不充分。

我们认为解决补偿器轴向失稳问题除与其布置位置有关外，更主要的是取决于补偿器自身的性能和质量。

因此，我们在设计时，一定要选择自导向性能好、抗失稳能力强的补偿器；而对于补偿器的布置则要根据工程的实际情况灵活运用，根据管系的分段长度及具体条件可布置在两固定墩中央或之间的任意位置，这样既能躲避复杂的地下障碍的影响，又能满足管段的补偿要求。

但要注意，补偿器不要布置在弯头或折点旁。

实践证明这种设计方法是可靠的。

补偿器的保温结构一定要满足强度及温度控制要求，同时，补偿器的保温结构应不
影响补偿器的自身性能及正常工作。

3.3、合理布置管网的疏水点
由于蒸汽管网运行负荷不稳定，甚至经常会有零负荷状态，在这一时间段内管网的凝结水很多，如不及时排出就会发生水击，严重时会对管网造成破坏。

因此，合理设置疏水点是管网安全运行的保证。

我们在设计时对疏水点的布置考虑了以下几点：(a)沿管网汽源方向并根据管网的路由高程将管网做成有坡度设计，顺流疏水。

(b)在地下障碍多，管道敷设呈纵向起伏的管段，采用多低点疏水；当逆流疏水时，尽量加大管道坡度。

(c)我们目前使用的疏水节的结构是在管道底部设集水罐，由集水罐引出疏水管。

由于管道运行时存在反复热位移，会对疏水管根部的焊口产生剪切力造成破坏，为了避免这种情况发生，我们设计时将疏水节设在固定节旁，或要求保温管生产厂家将疏水节和固定节做为一体。

为了管网运行维护安全，操作方便，我们在设计中，完全采用了背压疏水的方式，不管管道埋深多少，疏水井均设在地下0.5至0.8米深的位置，每个疏水点均设自动疏水器和启动疏放水旁路阀，并在设计说明中对启动运行的疏放水操作提出明确要求。

实际运行证明这种疏水方式是安全可靠的。

3.4合理地设计管道的埋深
直埋蒸汽管道的埋深是决定管道外表面温度的条件之一，因为土壤的导热系数不仅与土壤的种类、化学成分、含水量有关，还与土壤的埋设深度有关，实验证明，随着埋深的增加，土壤的导热系数降低，因此，管道埋得过深会使管道的外表面温度升高。

我们在设计时，在保证管道不被地上荷载破坏，即满足强度要求的前提下，应尽量浅埋，笔者认为，在地下条件允许的地方，管道的埋深以0.8～1.0米为宜。

3.5、固定墩的设计及钢外套管的应力计算：
直埋蒸汽管道与直埋热水管道的固定节的受力结构基本相同，即在管道上焊接固定
环板。

但直埋蒸汽管道的固定节存在的问题是环板温度很高，并且由于热桥的作用，环板两侧管道的外表面温度也很高，因此，即使是聚乙烯外套的预制复合保温管，其固定节处的外保护套也不能直接使用聚乙烯，国内目前多采用的做法是在固定节处采用钢外套，并增加固定节的长度以保证管道和固定节的接口部分的外表面温度不超过设计要求，这就使管网出现了钢塑接口问题，这一问题目前仍没有令人十分满意的处理方法。

对于钢外套的预制复合保温管，固定节处的钢外套的防腐应考虑到耐高温问题。

直埋蒸汽管道固定墩的土建设计要采用耐热混凝土。

对于钢外套的预制复合保温管，设计时还要考虑钢外套管的应力分布。

直埋蒸汽管道的外表面设计温度一般是50℃，按照直埋热水管道的设计原理，这一温度对直管段产生的热应力完全不必进行验算，但对于弯头、折点、三通等应力集中点就需要进行安定性分析及验算。

笔者在设计时，对钢外套管系是按照直埋热水管道的设计方法来处理的。

对固定墩的推力计算，除应考虑固定墩两侧管道补偿器的弹性反力、不平衡内压力及管道的摩擦力外，对钢外套的预制复合保温管还应考虑钢外套管对固定墩的推力。

例如，按照外表面温度最高50℃计算，当工作钢管直径为DN350、外保护套管直径力DN700时，采用钢外套管的固定墩的推力比塑套管的固定墩推力最大可提高10倍。

虽然采用在钢外套管上设补偿器的方法可以减小固定墩的推力，但由于外补偿器的防腐问题目前还没有十分可靠的方法，从而不能保证管网的使用寿命。

为了解决上述问题，对固定墩的设计我们利用相对固定的概念，采用内固定的方法，即将固定环板焊接在工作钢管与钢外套管之间的方式。

钢外套管对于工作钢管视为固定参照物，其内固定节强度结构只考虑工作钢管的推力Fj即可。

对钢外套管来说，Fj仅为它的内平衡力，复合保温管的整体的稳定由土壤作用在钢外套管上的被动土压力来满足平衡。

在小白楼蒸汽管道改造工程中，我们采用了全部内固定的方式，
解决了因地下条件恶劣而无法做固定墩的难题，既缩短了施工周期，又降低了工程造价。

3.6、管件的设置：
3.6.1、弯头
起自然补偿作用的弯头将产生轴向及径向位移，为了保证管道在弯头处的热位移不受约束，并使预制复合保温弯头的保温结构不被挤坏，必须在工作弯头与保温层间留有位移空间。

德国布鲁格公司将保温弯头做成转角处凸出的“大肚”型结构，以适应弯头变形位移量的要求。

目前国内的普遍做法是弯头处填充松软的保温材料。

我们在工程设计中，应就自然补偿管段的热补偿量问题同保温管生产厂家交换意见并达成一致，以使弯头处的保温结构既能够最大限度地吸收管道的热位移，又能保证其结构不被破坏。

3.6.2、合理设置排潮管：
我们在工程设计中，每段封闭的保温管段之间均设一至二个排潮管，排潮管应引到地面以上，行人、车辆无障碍的安全地方，排潮管口要向下弯，以避免雨雪由排潮口进入管道的保温层。

3.6.3、三通、大小头、阀门等的设置：
对于容易产生应力集中的管件，我们在工程设计中遵循的原则是通过分析管系的应力分布状况，尽量布置在轴向、径向位移量小的地方，右靠近固定墩布置。

必要时向厂家提出加强管件强度措施的要求。

在选择阀门时，注意考虑阀门承受内压及轴向力的能力。

此外，管件与管道、管道与管道的连接处的保温及密封处理要做到连续、严密。

直埋蒸汽管道工程是一项系统工程，这一点已为业内人士所共识。

从管网的设计到管道的制造、安装及管网的启动运行，每个环节都直接影响着工程的成败。

而一项好的设计可以使产品的性能得以充分发挥，可以最大限度地减
少施工中的困难，可以降低工程造价。

因此，我们的设计一定要做到严谨合理，为工程的成功提供可靠的前提保证。