预制直埋蒸汽保温管道的保温计算

预制直埋蒸汽保温管道的保温计算
本文介绍了预制直埋蒸汽保温管道的导热计算、空气层导热系数计算、外表面温度计算及散热损失计算的计算方法，并举例对计算方法进行了比较。

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1 概述
预制直埋蒸汽管道是目前国内广泛采用的蒸汽保温管道，主要分为“外滑动”和“内滑动”两种结构。

“外滑动”结构是指将保温材料包敷在工作钢管上，工作钢管与钢质支架一起在外套钢管内壁上滑动的一种保温结构。

在保温材料与外套钢管之间留有空气夹层（一般不大于15mm），空气层即可用于排潮，也起到一定的保温作用，保温材料一般采用憎水性无机材料，在保温层少量进水时可以利用空气层和排潮管将水汽排出。

此种结构因为存在空气层，所以可以充分利用弯头进行自然补偿，减少补偿器的使用。

“内滑动”结构是指将保温材料包敷在工作钢管上，保温材料与外套管形成整体。

在管道运行时，工作钢管在保温层内伸缩、滑动的结构。

此结构内保温层采用无机材料，外保温层采用有机材料，外保温层与外套管之间没有空气层。

保温计算是直埋蒸汽管道设计的第一步，直接关系到设计方案的选择，并且其直接指导管道的生产，对以后管线是否可以经济运行也有决定性的影响。

所以笔者在此谈一些自己在这方面的看法，按照两种不同导热系数的材料分层包裹的方式进行计算考虑，以供大家探讨。

钢套钢直埋蒸汽管道外表面温度是在进行管道保温计算时按照标准要求须硬性控制的数字，外表面温度过高会直接影响外套钢管外防腐的使用寿命，甚至在短时间内使外防腐失去作用；另外也会增大外套钢管本身的热应力，直接影响管道本身的全运行。

不仅如此，表面温度过高还会对周围实施造成破坏，工程中多有发生因埋地管表面温度过高而影响附近电缆、燃气、植被、绿化的事件发生。

所以在国家标准中规定直埋蒸汽管道的外表面温度须控制在50℃以下。

1.1 传热机理
钢套钢直埋管道保温结构如图1，传热过程主要有以下几个过程组成：
①蒸汽与工作管内壁之间的对流换热；
②工作管外壁与内保温层之间的一维导热（因沿轴向的温降相对于径向的温降很小，故作一维传热考虑）；
③内保温层与外保温层之间的一维导热；（同理）
④外保温层外表面与工作钢管内壁之间的辐射、对流，导热相结合的综合传热；
⑤外套管外表面与土壤之间的二维传热；
散热热阻由内管管壁热阻、内保温层热阻、外保温层热阻、空气层热阻，外套管管壁热阻及土壤热阻五部分组成，内管管壁热阻和外套管管壁热阻很小,可忽略不计，则复合直埋管结构可简化成如下图：
1.2 计算公式
管道系统经过前期的试运行之后，管系进入一个相对稳定的运行阶段，此时蒸汽管的传热为二维稳态传热过程。

由能量守恒原理，单位长度内从热介质传递到钢管的热量q、从钢管外壁通过内保温层的热量q1、通过外保温层的热量q2、通过空气层的热量q3，通过空气层从外套管散发到土壤的热量qr有下列等式：
q=q1=q2=q3=qr
q1=■= ■ (1)
q2=■= ■(2)
q3=■= ■ (3)
qr=■= ■ (h≥4d3) (4)
qr=■=■ (h＜4d3) (5)
式中：
λ1——内保温层导热系数，(W/m.℃)；λ2——外保温层导热系数，(W/m.℃)；λ3——空气夹层综合导热系数，(W/m.℃)；λT——土壤导热系数，(W/m.℃)；d0——工作钢管外径，（mm）；d1——内保温层外径，（mm）；d2——外保温层外径，（mm）；d3——空气层外径，（mm）；tf——蒸汽温度(℃)；twT——土壤温度(℃)；h——埋深（管中心与地面的距离，mm）；tw1——界面温度（℃）；tw2——界面温度(℃)；tw3——外表面温度(℃)；
利用以上等式，在已知各保温层厚度的条件下即可算出各界面温度，或已知各界面温度的即可算出各保温层厚度，这里只讨论以上的第一种计算。

在稳态工况下设定各保温层厚度求各界面温度及外套管温度：
tw1=■ (a)
tw2=■ (b)
tw2=■ (c)
上面（a）、（b）、（c）三式中：
k1=■ k2=■ k3=■
1.3 空气层综合导热系数的计算
直埋蒸汽管道中空气层中的传热过程为辐射、对流、导热相结合的综合的传热过程，所以为了更好的利用前面介绍的传热方程，应对空气层进行综合导热系数的计算，即用综合导热系数的简单传热过程来代替空气层中的复杂传热过程。

将空气层按具有一定导热系数的保温层看待。

根据圆筒壁的传热公式：Ra=■=■
λ3=■ （6）
其中Ra=■ （7）
αc=■ （8）
αγ=■ （9）
Qγ=■·10-8 （10）
式中：Q——散热损失（W）；Ra——空气层热阻(m2.℃/W)；αc——空气层对流换热系数(W/m.℃)；αγ——空气层辐射换热系数(W/m.℃)；λc——空气层综合导热系数(W/m.℃)；Qγ——辐射散热损失(W)；F2——空气层内侧每米长度表面积（m2）；c——黑体辐射系数5.768.℃；εa1——空气层内侧表面黑度；εa2——空气层外侧表面黑度。

其他符号同前。

到此即可进行管道的温度计算。

因为在上述公式中有很多都是温度的函数，所以在计算时应先假设空气层内、外表面温度，从而得到保温材料在假设温度下的导热系数，和空气层的综合导热系数λ3 ，然后将λ3 代入式（3）得到新的界面温度，进行叠代计算，直至前后两次的计算结果相差小于5%即可作为最终结果。

2 散热损失计算
管材的散热损失可按如下几种方法计算：
2.1 因为管材在稳定工况下的散热损失与管材中各界面间的热流量相等，所以：
2.1.1 可直接将利用前面介绍的公式结算的出的个界面温度带入（1）-（4）或（5）式中，即可求得q=q1=q2=q3=qr
2.1.2 利用式（8）和（9）计算出的αc与αγ，利用复合换热方程式：q=F2αcΔt+F2αγΔt=F2(αc+αγ)Δt （11）
计算出空气层内外表面之间的总换热量，即等于管材的散热损失。

2.2 根据圆筒壁的传热，运用串联热阻叠加原理，可得管材的散热损失计算公式：
q=■ (h≥4d3)
q=■ (h＜4)
3 几种规格管材的计算结果比较
计算中介质温度250℃，土壤温度20℃，土壤到热系数1.5 W/m.℃，保温材料选用欧文斯·科宁生产的离心玻璃棉。

管材规格如下：
Φ219×6/Φ478×8-110 内保温层厚度60mm；外保温层厚度50mm。

Φ273×7/Φ529×9-110 内保温层厚度60mm；外保温层厚度50mm。

Φ325×8/Φ630×10-130 内保温层厚度70mm；外保温层厚度60mm。

计算结果见下表1和表2：
通过以上计算结果可看出，在埋深相同时按h≥4d的公式计算或按h＜4d的公式计算所得的结果相差不大。

因为按h≥4d的公式计算的外表面温度稍高，所以笔者认为在计算时可都按h≥4d的公式计算，对结果影响不大。

4 说明
以上计算都是针对钢套钢外滑动的结构，其中公式（1）-（5）亦可用于内滑动结构的计算。

计算中只要将空气层的综合导热系数换成有机材料的导热系数即可。

现阶段国内生产的内滑动结构主要有“钢套钢”和“塑套钢”两种形式。

“钢套钢”结构是指工作管和外套管都是采用钢质管道，“塑套钢”结构是指工作钢管采用钢制管道，外套管采用聚乙烯管道。

有机材料一般采用聚氨酯，目前国内聚氨酯材料长期耐温的极限为120℃，所以在计算式应将有机层与无机层的界面温度控制在120℃以下，以保证管道系统的长期稳定运行。

参考文献：
[1]《全国直埋蒸汽管道技术研讨会论文集》.2002年.
[2]《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》（征求意见稿）.
[3]杨世铭编《传热学》（第二版）高等教育出版社，1987年.
The insulation calculation of preformed directly buried steam insulating pipes
Li Zhi
Abstract：The paper introduces the prefabricated directly buried steam pipe insulation thermal calculation, the calculation of thermal conductivity of air layer, the outer surface temperature calculation and heat loss calculation method, and an example of calculation methods are compared.
Key words：preformed directly buried steam pipeline thermal conductivity the insulation calculation。