廠家直埋式預(yù)制蒸汽保溫管道的外護(hù)管及防腐層的研究與探討

P—— 額定工作壓力 MPa D—— 管外直徑 mm  δ—— zui小管壁厚度 mm S—— 靜壓設(shè)計(jì)壓力 MPa  SDR—— 標(biāo)準(zhǔn)尺寸比       經(jīng)上式驗(yàn)算，基本全符合規(guī)范要求，蒸汽直埋管外護(hù)管可參照選用。    4 、玻璃鋼外護(hù)管的zui小壁厚確定   玻璃鋼材質(zhì)的外護(hù)管，由于生產(chǎn)使用的原材料：樹脂（環(huán)氧、不飽和樹脂、聚酯等）、增強(qiáng)纖維、添加助劑及其成型工藝的不同，其性能有明顯的差異。但總的來說，它與塑料外護(hù)管有許多相近之處，特別是與 PE/PP 外加玻纖增強(qiáng)復(fù)合管性能更是貼近。國(guó)外把它們統(tǒng)稱增強(qiáng)塑料（玻璃鋼）。    （ 1 ）增強(qiáng)玻璃鋼外護(hù)管的蒸汽直埋管道其壁厚度，除要考慮鋼管、塑管某些相同的必要因素外，由于它的性能特殊，拉伸破壞變化率僅 1.8~4.0%[18] （鋼為 18% ， HDPE 為 350% 伸長(zhǎng)度）是脆性斷裂。這就要求我們，不單是考慮管道壓力等級(jí)、設(shè)計(jì)工作壓力、許用應(yīng)力、外部靜、動(dòng)荷力，還要考慮管道的許用撓度（無壓條件下，撓曲產(chǎn)生的應(yīng)力或應(yīng)變，不超過長(zhǎng)期 30~50 年工作的應(yīng)力或應(yīng)變），核校管道的抗屈曲能力等。美國(guó) AWWA C950-88 制定對(duì)地下埋設(shè)玻璃鋼管設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。從理論計(jì)算到設(shè)計(jì)系數(shù)的正確設(shè)定和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)選取都有助于管道設(shè)計(jì)的成功。安裝工程參數(shù)的正常選擇確定，土壤類別密實(shí)度，土壤的撓度系數(shù)，反力模量 ?? 都是管道zui終實(shí)施成功十分重要和必須的。    （ 2 ）美國(guó) AWWA C950-88 標(biāo)準(zhǔn)附錄 A 詳細(xì)的討論了地下埋設(shè)玻璃鋼管的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，我們可借鑒參考直埋蒸汽管道外護(hù)管設(shè)計(jì)。       這里有五點(diǎn)須指出：   ① 與剛度有直接關(guān)系的許用撓度（垂直方向許用撓度）是設(shè)計(jì)的一個(gè)極重要的參數(shù)，剛度值為 S ：     E—— 管道彎曲彈性模量 N/mm2  I—— 單位長(zhǎng)度管環(huán)彎曲慣性矩 mm4/mm   D—— 平均管徑 mm D 外 —— 外護(hù)管的外徑 mm  F—— 單位長(zhǎng)度載荷 N/mm D 內(nèi) —— 外護(hù)管的內(nèi)徑 mm  ΔY—— 垂直方向許用撓度 mm    ② 地面管道與地下管道設(shè)計(jì)有很大差異，所有設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)系數(shù)（安全系數(shù)）均 >1.5 ，通常取 1.8~2.0 。設(shè)計(jì)校核中的許用撓度是以計(jì)算管道無內(nèi)壓時(shí)為基準(zhǔn)，撓度產(chǎn)生時(shí)應(yīng)力不超過長(zhǎng)期（ 50 年）許用應(yīng)力值；    ③ 管道的撓度嚴(yán)格規(guī)定 <0.05D 極限值，一般為 0.03D;    ④ 管道的壁厚指纖維增強(qiáng)壁厚部分，其純樹脂部分不計(jì)在內(nèi)；    ⑤ 考慮到外護(hù)管承受外部的沖擊壓力與其管殼環(huán)向拉伸彈性模量及厚度 / 直徑比有很大關(guān)系，通常玻璃鋼外護(hù)管抗沖擊壓力比高模量金屬管道為低。一般取 即 t=0.01D 來保證玻璃鋼管抗沖擊能力。  
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玻璃鋼管總壁厚 δ=t+tr t—— 纖維增強(qiáng)壁厚度 mm tr—— 樹脂內(nèi)襯層壁厚度 mm       國(guó)外纏繞玻璃鋼增強(qiáng)聚乙烯（ VPE ）外護(hù)管，其性能較 PE 有重大改進(jìn)，耐熱性達(dá) 110℃ ，且電阻率 >1012Ω·m 。 50℃ 許用應(yīng)力在 7MPa 時(shí)，其管壁厚度* PPI 協(xié)會(huì) SDR 規(guī)范要求。使用壽命達(dá) 30 年 [ 見拙文 1998 年第六期《新型建筑材料》 ] 普通直接纏繞的玻璃鋼外護(hù)管（ FRP ）因國(guó)內(nèi)各生產(chǎn)廠家技術(shù)要求不同而差異很大。表 5 列出主要各廠家管壁厚值。    表 5 幾個(gè)主要生產(chǎn)廠玻璃鋼管（ FRP ）壁厚規(guī)格。 ( 略 )       從上表可清楚看出，我國(guó)用玻璃鋼做外護(hù)管的壁厚，剛度大的小管徑管還好，對(duì)于 >300mm 規(guī)格，特別是 >450mm 管道普遍偏低，均 0.01 ，只有國(guó)外引進(jìn)技術(shù)的廠家，正規(guī)產(chǎn)品外護(hù)管壁厚 ≥0.01 。       壁厚偏薄，要保證長(zhǎng)期工作 15 年以上，是潛存有問題的。這也是我國(guó)近年玻璃鋼外護(hù)管的蒸汽直埋管事故多發(fā)的重要原因之一。  

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六、外護(hù)管的使用溫度和設(shè)計(jì)溫度確定   直埋式預(yù)制蒸汽保溫管，一個(gè)十分突出的問題，即管道安裝，試運(yùn)吹掃或運(yùn)行中突然發(fā)生保溫管的保溫層進(jìn)水或是內(nèi)鋼管（芯管）蒸汽泄漏，使之外護(hù)管溫度超過原保溫設(shè)計(jì)時(shí) 50℃ 、 60℃ ，而達(dá) 80℃ 、 100℃ 或更高，對(duì)管系帶來的嚴(yán)重影響，其管道還能否短時(shí)間承受這一沖擊，繼續(xù)運(yùn)行的問題。    各種材質(zhì)的外護(hù)管的蒸汽直埋管道，在保溫設(shè)計(jì)時(shí)，通常均按照埋地管外表面溫度（控制溫度） 50℃ ，zui高 ≯65℃ 計(jì)算保溫厚度。    因材質(zhì)不同，實(shí)際外護(hù)管的使用溫度范圍差別很大。 CJJ/T-114 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 HDPE 為 -50℃ ～ 50℃ ， CJJ/T129 規(guī)定 FRP 為 -50℃ ～ 65℃ 。拙文 [ 直埋式預(yù)制保溫管外護(hù)層材料的分析研究 ] 中已指出：   HDPE 使用范圍是應(yīng)力、溫度的函數(shù)，根據(jù)溫度一應(yīng)力一壽命曲線可查出 [21] ：  30℃ ， 5MPa 時(shí) 50 年壽命，隨使用溫度升高，  40℃ ， 5MPa 時(shí) 17 年壽命，  50℃ ， 5MPa 時(shí) 12 年壽命。   如相應(yīng)應(yīng)力減小，相同溫度下其管道的壽命可延長(zhǎng)：  40℃ ， 4MPa 時(shí) 28 年，  40℃ ， 3MPa 時(shí) >50 年壽命。    增加塑料玻璃鋼 FRP 其屬性也類似，溫度影響頗大，隨溫度升高，強(qiáng)度下降，壽命衰減加速。    實(shí)踐和理論計(jì)算表明，對(duì)塑管和玻璃鋼外護(hù)管，將發(fā)生隨溫度的升高，材料破壞趨向嚴(yán)重，超過材料高溫下長(zhǎng)期使用（ 30 ～ 50 年）的許用應(yīng)力，許用撓度，發(fā)生屈曲破壞，管道失效須更換；對(duì)鋼質(zhì)外護(hù)管，只要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，按 100℃ 或 120℃ 狀態(tài)設(shè)計(jì)，管壁厚度、焊縫強(qiáng)度、滿足此溫度下的使用強(qiáng)度和應(yīng)力值就可保證管道系統(tǒng)能繼續(xù)運(yùn)行。外護(hù)管的防腐層雖有可
能部分老化或破壞，進(jìn)行修復(fù)還可應(yīng)用。 這也正是鋼質(zhì)外護(hù)管zui突出的優(yōu)點(diǎn)所在，這點(diǎn)國(guó)內(nèi)多處工程如寧波、洛陽(yáng)實(shí)踐已充分得到證實(shí)，其安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。  

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 七、結(jié)論   1 、直埋式預(yù)制蒸汽保溫管的外護(hù)管是保溫結(jié)構(gòu)中 — 復(fù)雜和極為重要的組成部分，是管系壽命經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性重要所在。很有必要深入研究和探討。只有充分、全面的認(rèn)識(shí)，科學(xué)分析，嚴(yán)格的計(jì)算，才通正確的設(shè)計(jì)或選擇。    2 、嚴(yán)格遵守工程準(zhǔn)則 —— 安全可靠原則，進(jìn)行材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分析和防腐技術(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)中安全系數(shù)（設(shè)計(jì)系數(shù)）要考慮到環(huán)境、操作因素的多變性或意外非正常狀態(tài)，要留有充分的裕量。    3 、鋼質(zhì)外護(hù)管*其優(yōu)點(diǎn)，特別是對(duì)于采用直埋管道新技術(shù)如內(nèi)固定（位移）支座等，有保證作用。除能進(jìn)行力的傳遞外，節(jié)約土建工程投資，加速施工速度，保證施工質(zhì)量、作用突出明顯。    4 、為杜絕不應(yīng)該發(fā)生的各種惡性事故，各種類型的外護(hù)管壁厚應(yīng)嚴(yán)格規(guī)范要求，絕不能降低，隨意減薄。特別是玻璃鋼外護(hù)管，應(yīng)以增強(qiáng)纖維層厚度來做應(yīng)力計(jì)算或分析。鋼外護(hù)管其壁厚設(shè)計(jì)也應(yīng)考慮非正常 100~120℃ 下許用應(yīng)力、強(qiáng)度要求。    5 、嚴(yán)格控制使用溫度，是保證管道安全運(yùn)行的根本。具有保護(hù)性能的外護(hù)管其耐溫程度一定要留有安全余度。鋼外護(hù)管 100 ～ 120℃ 下材質(zhì)強(qiáng)度幾乎無變化，在 <350℃ 材質(zhì)變化也不大，適用高溫蒸汽直埋管采用。高密度聚乙烯或玻璃鋼外護(hù)管超過 50℃ 全都隨著溫度的升高，強(qiáng)度降低，屈曲應(yīng)力增大，壓縮、彎曲、變形破壞可能性愈大，壽命縮短。特別是相對(duì)剛度小而管徑大管道變化尤為突出。