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直埋蒸汽管道几个关键技术的思考与探讨


　穆树方　蔡启林



摘要：本文通过对直埋蒸汽管道设计、生产、施工等方面调查、研究，针对几个关键技术问 题进行了分析、探讨，供广大供热科技人员参考。
　　关键词：直埋蒸汽管道、保温结构、内固定支架、微量变形
　　一、直埋蒸汽管道技术发展概况
　　目前，我国直埋蒸汽管道市场需求愈来愈大，而且有迅猛发展之势。这种局面的出现， 主要由以下原因促成：
　　A、我国推广“集中供热”、“热电联产”、“三联供”等节能、环保政策的需要；
　　B、现代文明城镇建设的加速和对节能、环保的高要求；
　　C、国家为了提高人民生活质量水平，供热范围由严寒的“三北”地区（即华北、东北 、西北）向广阔的冬寒夏热的“过渡地区”扩展的需求。
　　1.1、研究、开发、应用等方面取得了长足进步
　　为适应直埋蒸汽管道迅速发展的市场需求，近几年来我国广大科技人员、生产厂家在直 埋蒸汽管道技术的研究、开发、应用等方面，付出了大量心血，取得了长足进步。保温结构 型式和选用材料之多样化，工程实践规模之大，世界上没有一个国家可以和我们相比。笔者 曾多次和德国布鲁格、意大利索克萨姆以及美国等多家公司交流，他们一般最大管径Φ500m m，用量也不大，而目前我国山东济南、河北石家庄、陕西西安、辽宁大连、河南、江浙等 地区所采用的直埋蒸汽管道已超过Φ500mm，有的已达Φ900mm。保温结构型式有内滑动、外 滑动，选用的耐高保温材料有微孔硅酸钙、玻璃棉管壳、热压珍珠岩、硅珠保温材料、复合 硅酸盐等。保温结构型式、选用保温材料种类很多。因此在直埋蒸汽管道开发和应用领域， 我国并不比发达国家落后。
　　1.2、一方面肯定研究、开发方面的宝贵经验，另一方面也应清醒地认识到目前我国蒸 汽管道直埋敷设技术在研究、设计、生产、材料、检测等方面，尚存在着理论、技术、管理 等方面诸多问题，距这项技术的完善还有很大距离。笔者通过对南、北方一些工程事故调研 发现，由于基础理论研究滞后于开发，设计计算不确，产品粗制滥造，施工马虎从事，运行 违规操作等，造成部分蒸汽管道直埋不久便出现“跑、冒、漏、伤”，“带病运行”问题， 遗患于后，危及安全生产。在此种情况下，应冷静、客观地对以往的实践进行实事求是的科 学分析、研究、总结，继而加强科研力度，以促进蒸汽管道直埋技术的进一步提高和完善。
　　二、对直埋蒸汽管道几个关键技术的思考与探讨
　　蒸汽管道直埋技术是一项涉及热力学、材料力学、岩土力学、流体力学以及有机材料、 无机材料、防腐、电化学等多学科的系统工程，而且投入生产后是动态运行，所以蒸汽管道 直埋敷设与热水管道直埋敷设相比较，技术复杂的多。据有关专家总结，直埋蒸汽管道通常 有三大系统，十三个结点处理，每一项处理不当，就会立即或即将造成工程事故，隐患性很 大。篇幅所限，不能展开讨论，下面仅对几个关键技术提几点参考意见，以期“抛砖引玉” 。
　　2.1、关于保温结构计算
　　2.1.1、蒸汽管道直埋敷设与架空、地沟敷设传热状态不同，架空敷设是向无限空间传 热，地沟敷设是热介质通过保温材料、流动空气层、沟壁等以不同传热状态向周围土壤传热 ，而直埋敷设，简化讲热介质是向周围土壤按一维稳态传热，土壤可视为保温结构一部分。 以目前国内常用的内滑动式复合结构蒸汽保温管为例，计算过程中首先应划定三个界面温度 （见图一）。


　　无机保温材料与有机保温材料接触处可视为第一界面，外保护层与土壤接触处视为第二 界面，地表与空气接触面视为第三界面。计算时应先控制三个界面温度，第一界面温度控制 在有机材料耐温能力以下；第二界面温度应控制保护层的防腐、防水及机械性能不遭受大幅 度衰减或破坏；第三界面温度则控制不会因界面温度升高而使得管道周围土壤热阻值提高， 从而造成第一、二界面温度升高破坏保温结构。所以在保温结构计算过程中，应校核当地极 高、极低环境温度的影响，必要时应适当调整保温结构各层保温材料的厚度，以确保保温结 构安全。同时，计算过程中不能简单地按架空管道保温结构或按<通则>中公式进行计算，而 应结合节能50％，管网输送效率提高到大于90％的要求（“直埋蒸汽管道保温结构研究与计 算”，《区域供热》2001年第1期）。
　　2.1.2、保温计算中，对土壤、保温材料的导热系数选取不能草率，这两个系数的选取 正确与否，往往影响保温效果和管道运行安全性。
　　土壤的导热系数在0.5～2.5w/m.k之间，跨度很大，其大小与土壤种类、含水量大小、 化学成分、埋设条件等多种因素有关。在工程设计时应坚持实测当地土壤导热系数或求助当 地地质部门提供资料，认真确定土壤导热系数值。如果只根据“无资料可查时取1.5w/m.k” 确定土壤导热系数不是科学的，因为不能确切反映管道所处的土壤实际情况，造成计算结果 误

　沿海地区采用钢套钢型式，外护层防腐解决困难，而采用按“标准”制造的玻璃钢外护 层既能防水更能防腐，而城市主要街道地区敷设的管道和由电厂通过野外向城区输送蒸汽的 管道又不宜同等对待。前者要求严格些，后者则可简易些。西部地区干旱，地下水位低，解 决的主要矛盾是土壤热阻值等问题，因此，保温层采用廉价的材料，例如硅珠复合材料（硅 珠与粉煤灰复合）。而外护层也不一定采用价高的钢外护层，所以，不同地区当选用蒸汽保 温结构时，一定要根据当地的气候、水文、地质、经济以及介质温度高低、管径大小等，全 面、认真地进行经济、技术比较，论证后确定方案，不能盲目草率仿照其它地区。
　　2.3、对“外滑动钢套钢”结构型式的探讨
　　目前，国内采用的“外滑动式钢套钢”结构型式（钢地沟）基本上是仿照国外直埋蒸汽 管道型式，供热行业为了实现“跨跃式发展”，需要引进国外先进技术。但应该认真学习、 吸收、消化后再“为我所用”，而不能简单地根据国外产品商业广告说明书，“看图识字” 、“照猫画虎”。笔者通过与国外公司交流和国内采用外滑动式钢套钢直埋蒸汽管道工程调 研发现，下列几个问题共同探讨。
　　2.3.1、外套钢管的防腐问题：国外对外套钢管防腐极为重视，要求严格，他们对钢套 管内外侧防腐都有措施。欧洲如德国，钢套管外侧是采用涂刷防腐材料后再缠HDPE，耐电击 穿强度要求达到20000V以上（BULUC公司21000V），内侧面则采用抽成真空（设真空泵房保 持），衰减腐蚀条件；美国则是在钢套管外侧面喷涂20～30mm厚聚氨脂绝缘层后再喷涂2mm 左右玻璃纤维树脂（玻璃钢），类似我国采用玻璃钢做外护层的热水预制保温管，内侧面是 采用抽真空或喷涂刷陶瓷防腐材料，外侧防腐层耐电击穿强度也要求达到20000V以上。国内 目前钢套管外侧面只采用涂刷富锌、环氧煤沥青防腐涂料，据测试耐电击穿能力只有5000V 左右，钢套管内侧面防腐一般就不考虑了，而钢套管内侧面由于处于高湿热条件下，又有空 气，会加速钢套管内侧面的腐蚀速度。国内目前有个别厂家已经注意到上述问题。对钢套管 外侧面已开始采用类似美国的方法，但钢套管内侧面尚未加强防腐措施。因此，目前国内对 钢套管的防腐措施，特别是在高水位地区，能否保证钢套管达到标准界定的蒸汽管道寿命大 于20年，尚需我们拿出有利的科学依据。应提醒：埋入地下的蒸汽管道三年五载不出问题， 并不等于20年没问题！因此，建议国内同行应进一步加强研究，拿出既适合国情，又保证外 套钢管寿命的科研成果。
　　2.3.2、钢套管椭圆化变形带来的麻烦和解决方法，根据材料力学理论，常规壁厚的钢 管当直径超700mm，会因椭圆效应产生椭圆变形，使得力学计算复杂化。当介质温度超过300 ℃，一般DN>400mm的工作管，钢套管直径就有可能超过700mm，钢套管椭圆变形就会产生。 埋地钢套管椭圆化变形主要与两个因素有关：A、钢套管上面作用的垂直荷载，包括随埋深 增加而加大的土壤荷载和随埋深增大而减小的车辆等活荷载；B、钢管的截面参数，在相同 的垂直荷载作用下，钢管半径越大，椭圆化变形越大，管壁越厚，椭圆化变形越小。
　　钢套管椭圆化变形，如超过一定限值，会造成局部失稳破坏，即使没有达到失稳破坏程 度，如果预留缝隙与计算变形不符，滑动支架变形、卡腿、断腿必定会发生，造成管道系统 破坏。
　　为了控制因椭圆化变形造成管道破坏，在进行外滑动钢套结构型式设计、生产时，应按 有关规范，认真计算，将椭圆化变形率控制在3％以内，同时，滑动支架与钢管内壁间隙应 与之适应。关于计算方法及公式，将另文介绍。
　　2.3.3、国外对保温材料如何长期包缚在工作钢管上，是有着严格技术措施的，他们采 用特殊的防腐蚀钢材带包缚保温材料，间距也有具体要求。如果简单地用细铅丝或塑料带包 缚保温材料。在高湿热条件下，经过一段时间铅丝锈断，塑料带老化，造成保温材料脱落， 保温结构破坏。
　　2.3.4、内工作钢管保温层外表面与钢套管内壁的间距尺寸并不随意，而是将这个空间 作为辐射传热的保温层，空间不能产生流动气流。国外是抽真空达到防止产生气流，国内由 于条件所限，采用抽真空措施，暂时还难以实现。但预留的空气层厚度不能随意，一般不大 于20mm，以防止空气对流产生，提高隔热效果。
　　2.3.5、某些节点处理也存在不安全性和检修难。如将波纹补偿器安装在外钢套管内， 一旦破坏，如何确定位置、如何检修均尚没有明确、成熟的方法，其它像国内固定支架、疏 水装置等同样存在上述问题。
　　还有其它诸多因素不一一列举。通过以上几点只是想说明在引进国外技术时，应该真正 “吃透”后，再“为我所用”。同时，目前对“钢套钢”结构型式，尚不应简单肯定，需进 一步深入研究、实验，拿出经济、技术符合我国国情，又不会造成遗患于后的钢套钢结构型 式方案，
　　2.4、关于内固定支架
　　由于蒸汽管道热伸长量大，为了保证管道有效地实现热胀冷缩，需要设置

胡说

不错. 不过我国的直埋技术真比国外的高吗?值得怀疑!!

不可以，热水还是可以的

管道由热胀、冷缩和其它因位移受约束而产生的二次应力及由内压、持续外载产生的一次应力的当做应力变化范围，不应大于钢材在计算温度下基本许用应力的3 倍。
在范围内，可以实现无补偿，超过范围，必须解决补偿问题

也要看距离,过长就得必须有补偿,否则可能会出现不良后果

应该是必须要设补偿器的吧，俺院里做的这些蒸汽管道还没有不做的。

技术发展人们相互间的认识差异大了，但是自己做的任何事情要有根据就可，效果不外乎投资、效果两者
结合

还是做了保险~