直埋蒸汽管道几个关键技术的思考与探讨

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2007年07月15日 00:18:07

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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。

　　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，造成计算结果误差很大。例如南方高水位地区和西部干燥地区的土壤导热系数值相差成倍，那么保温结构计算结果也会差异很大，如果草率计算，会造成管道表面温度过高或过低，破坏管道保护层或不经济。所以，应使用当地实测土壤导热系数值来计算。石家庄供热指挥部等单位坚持实测导热系数的做法是科学态度。

　　对各种保温材料的导热系数，不能简单以厂家提供的单体数值为准，而应搞清楚该数值是在何种温度，何种条件，哪一级检测部门测定的，有否导热系数方程式。然后尽量参照行业标准确定的导热方程式来选取、确定导热系数。例如微孔硅酸钙，笔者见过几个厂家标出的导热系数都不同，这时应凭据标准GB/T10699－1998〈硅酸钙绝热制品〉相关条文选取，送样检测后确定导热系数。

2.2、保温结构型式选择应因地制宜

　　由于蒸汽管道介质温度高，保温结构不可能做成像直埋热水管道那样“三位一体”，需要做成“脱开式”，即工作钢管与保温层或外护层脱开。

　　2.2.1、国外基本是采用钢外护层

　　德国、美国采用外滑动式，即绑缚着保温材料的工作钢管在钢外护层内滑动。只有意大利萨克索姆公司是采用工作钢管在保温层内滑动，即内滑动式（但他们没有设内滑动层）。实事求是讲，国外对于蒸汽直埋技术基础理论研究及实验并不深入，只是由于他们国家的经济条件、技术条件等优越，制造工艺精细，外防腐技术指标高，施工要求严格，所以价格也很高。

　　2.2.2、我国对于蒸汽管道直埋技术的研究与开发，是摸索前进的，在摸索保温结构型式过程中，大致分为三个阶段。

　　外护层：

　　第一阶段：采用“塑套钢”，型式，即外护层采用高密度聚乙烯，工程实践发现，聚乙烯耐温能力太差，当局部热流外泄，很容易造成外护层蠕变、鼓胀破坏，聚乙烯做外护层不适用于蒸汽管道，目前已成为共识。

　　第二阶段：采用玻璃钢做外护层，而温能力大大强于聚乙烯，加工工艺由于是采用缠挠式，与采用聚乙烯管做保护层需要穿管比较，可以克服偏心，质量有保证。但由于对玻璃钢制造工艺机理了解不透，采用了简陋方式，同时，玻璃钢外护层标准当时还没有颁布。制造的玻璃钢外护层质量低下，运输、安装过程中再违规操作，出现局部开裂破坏，动摇了采用玻璃外护层的信心。

　　第三阶段：仿照国外采用钢外护层，即钢地沟型式。由于国情所限，完全仿照国外，使用单位经济难以承受，制造企业只能简易从事，但它的“优势”是前二年、三年不易发现问题，于制造商保一个运行循环有利，所以近期这种型式较为“走火”。不过建立开发、使用单位应冷静考虑遗患未来问题，如防腐、电化学、检修等问题。关于此问题还要详细探讨。

　　保温层：

　　第一阶段：主要采用岩棉、复合硅酸盐毡与聚氨酯泡沫复合。工程事故教训说明上述两种材料存在两大问题，一是遇潮板结变形，二是支撑力不够，特别较大管径保温管，很容易被埋土压扁破坏，现在已基本不再用。

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　第二阶段：采用微孔硅酸钙瓦与聚氨酯泡沫复合。由于硅酸钙瓦之间有缝隙，当管道运行后容易裂缝，造成局部热流外泄，破坏有机保温层和保护层，虽然采取了一些措施，但仍未能保证热流不外泄问题。

　　第三阶段：多极化，“百花争艳”，硅酸钙、高密度玻璃棉管壳、硅珠复合材料等，现在正在通过实践检验。

　　2.2.3、通过上面叙述，说明蒸汽管道结构型式在摸索过程中，广大供热科技人员和开发商，确实注入了大量心血，但是，究竟哪一种结构型式为最优呢？笔者认为，目前还不是肯定哪一种结构型式为最优的时候。应当根据我国具体国情，继续深入研究、实践、总结。现在标准所正组织部分科技人员编写。文件中蒸汽管道技术条件，只提出要求，并没有肯定结构型式。这很好，给今后深入研究、开发留有空间，是实事求是的科学态度。

　　我国地域广阔，气候、水文、地质条件差异很大，不能简单地像国外一些国家采用一种模式。笔者通过近二年对南方、沿海、西部等地区调研认为，我国发展蒸汽管道直埋敷设技术，在考虑我国经济条件情况下，应因地制宜。例如南方主要矛盾是防水问题，沿海地区不仅有防水问题，更关键是防止氯、硫氧化物腐蚀问题，而西部地区突出土壤热阻问题。

　　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，需要设置固定支架。如果还是按外固定设置方法，由于蒸汽管道温度高，补偿段短，固定墩设置多，尺寸大，这样一是增大工程量，二是造成施工难度。为解决这项技术难点，通过对国内外充分调研、交流，我校于1995年立题研究，题目是：《蒸汽管道内固定支架试验方法研究》，并上了一名研究生专题研究了三年。在研究过程中曾得到蔡启林教授、姚约翰总工、杨明学研究员等专家热诚指导，课题完成了，但为什么至今没有向社会发表，原因是有些问题尚需要深入探讨，鉴于目前已有单位使用，为了安全，现将两个主要技术问题予以简要说明，供参考。

　　2.4.1、计算理论依据：根据弹性力学理论，内固定支架是采用薄壁小圆环理论进行计算，这种计算方法的边界条件要求内外钢环必须紧密结合，受力均匀，但施工过程中很难达到要求，如果采取沿管道周边分几片组成不连续圆环，更不可能达到边界条件要求。所以需要进一步研究、探讨可以满足计算边界要求的施工技术措施，否则运行后会产生不安全因素。

　　2.4.2、为了防止冷桥作用，热流外泄，内固定支架的内外环采用石棉橡胶垫隔热。采用石棉橡胶垫，有两个问题需要考虑。

　　A、石棉橡胶热老化问题，一般蒸汽管道寿命介定大于20年，石棉橡胶垫肯定达不到（由于橡胶原因），一旦石棉橡胶老化粉化，不仅隔热目的达不到，而且造成结构破坏，影响管道安全运行。

　　B、根据石棉橡胶垫导热系数计算，每10mm只能隔热26℃左右，如果介质温度高，又要控制外套钢管的表面温度，则石棉橡胶垫需要很厚，难以实现。

　　为此，我校正研究采用新型隔热材料取代橡胶垫。

2.5、固定墩微量变形与力衰减

　　即使采用了内固定支架方法，一个管网总是有的地方还要采用外固定支架，例如拐弯处、出土端等。由于蒸汽管道产生的热应力高，特别是大管径管道产生的推力数以百吨计，如果按固定墩没有微量位移进行结构计算。大管径固定墩的尺寸会非常大，甚至无法实施。土壤不是刚性体，埋在土内的固定墩，在推力作用下，事实上是会产生微量变形的，如果主观不承认这个客观事实，不是科学态度。建议采用允许固定墩微量位移的方法设计固定墩，以达到推力大幅度衰减目的，这一观点已逐步被国内外接受。我校也已经对这一课题进行了专题研究。通过理论计算、工程实践研究表明：允许固定墩微量位移（一般控制在30mm内），可以将固定墩承受的推力衰减50～70％。我们不仅在实验室进行了模拟实验，而且在内蒙伊敏河煤电集团、河南永城煤电集团等大管径管道工程进行了实践，取得了预期成果，前不久某市大管径管道工程，计算固定墩承受的推力600多吨，按一般结构确定的固定墩尺寸之大，在城市根本无法实施，经过建议采用微量位移法，推力衰减到200多吨。（详细计算参阅《区域供热》2000年第6期拙文）。

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2007年07月15日 00:18:43

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三、结束语
　　通过以上对直埋蒸汽管道设计、开发中几个主要关键技术的思考与探讨。说明直埋蒸汽管道技术比较复杂，有诸多问题尚未解决，需要深入研究和实践。因此，生产和科技、院校应协同合作，继续加强科研力度，共同促进直埋蒸汽管道进一步完善和发展。