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論鋼套鋼保溫管的設(shè)計

目前在我國，鋼套鋼保溫管技術(shù)已越來越多地得到應(yīng)用，盡管如此，該項技術(shù)仍 不成熟，在國內(nèi)還處于起步階段，國家還沒有制定專門的、統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范。筆者近幾年就 直埋蒸汽管道的生產(chǎn)及應(yīng)用在國內(nèi)外作了多次調(diào)研，并先后作了天津市利順德飯店及小白樓 蒸汽管道直埋工程的設(shè)計，通過調(diào)研及工程實踐，對鋼套鋼保溫管技術(shù)有了逐步深入的認識 。
國內(nèi)一些蒸汽管道直埋的技術(shù)論文在介紹蒸汽直埋保溫管道的結(jié)構(gòu)時，將其結(jié)構(gòu)類型劃分為 兩大 類：一類是滑動界面在工作鋼管與保溫材料之間的復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)；另一類是滑動界面在管道 滑動支座與鋼外套管內(nèi)壁之間的“鋼管溝”結(jié)構(gòu)。筆者所做的上述兩項工程均采用的是復(fù)合 保溫結(jié)構(gòu)的預(yù)制保溫管，這里結(jié)合工程實踐單就這一類型的鋼套鋼保溫管的工程設(shè)計談一談 筆者的認識、體會。

1、 鋼套鋼保溫管設(shè)計的基本原則：
1.1、 鋼套鋼保溫管與直埋熱水管道的設(shè)計方法有著根本的區(qū)別

1.1.1、 因管網(wǎng)運行參數(shù)不同而造成的區(qū)別：
鋼套鋼保溫管所輸送的均為高溫蒸汽介質(zhì)，因其溫度高，所以設(shè)計方法不同于直埋熱水管道 。 首先，按照我國國家建設(shè)部頒布的《城市直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》CJJ/T81-98的規(guī)定， 直埋熱力管道的直管段的當量應(yīng)力變化范圍應(yīng)滿足下式： σj＝(1－V)σt－aE(t2－t1)3σ［σ］ 式中：
σj - 內(nèi)壓、熱脹應(yīng)力的當量應(yīng)力變化范圍(MPa); v - 鋼材的泊松系數(shù);
a -鋼材的線膨脹系數(shù)(m/m.℃)； E - 鋼材的彈性模量(MPa); t1 - 管道工作循環(huán)較高溫度(℃); t2 - 管道工作循環(huán)低溫度(℃);σt - 管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力(MPa)
［σ］ - 鋼材在計算溫度下的基本許用應(yīng)力(MPa)。
按照上式，若循環(huán)低溫度按停運時的10℃計算，則管道循環(huán)較高溫度t1允許達到150℃， 而按照我市熱電廠所供蒸汽溫度-296℃計算，顯然不能滿足上式。
因此，直埋蒸汽管道的設(shè)計不能象直埋熱水管道那樣允許有錨固段存在，直埋蒸汽管道的設(shè) 計必須使整個管系的熱應(yīng)力釋放掉，即管道必須能產(chǎn)生熱位移。
此外，由于高溫蒸汽管道的計算溫差遠遠大于熱水管道的計算溫差，并且鋼材的線膨脹系數(shù) 也隨 溫度升高而有所增大，因此相同長度管道的熱伸長量，296℃的蒸汽管道比150℃的熱水管道 大一倍多。由于受補償器補償能力的限制，直埋蒸汽管道固定墩的間距比直埋熱水管道要小 得多。

1.1.2 因管道保溫結(jié)構(gòu)不同而形成的區(qū)別：
*，直埋熱水管道使用的是“三位一體”的預(yù)制保溫管，即聚氨脂保溫層緊密地粘結(jié) 在工作鋼管的外表面。但由于聚氨脂的耐熱溫度較高為140℃，因此直埋蒸汽管道只能做成 包裹式的 復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)，即必須使用耐高溫的保溫材料，這種包裹式的結(jié)構(gòu)使得工作鋼管與保 溫層必然是脫開的，*一點區(qū)別就決定了直埋蒸汽管道不能按照直埋熱水管道的設(shè)計方法 進行設(shè)計。

1.2、 鋼套鋼保溫管的設(shè)計思路：
綜上所述鋼套鋼保溫管不能采用直埋熱水管道的設(shè)計方法，因此我們對鋼套鋼保溫管設(shè)計的 基本 構(gòu)思借鑒了地溝與架空管道的設(shè)計方法，同時又特別明確了它與地溝或架空管道的設(shè)計方法 也存在著區(qū)別。主要的區(qū)別是直埋蒸汽管道的保溫結(jié)構(gòu)對管道熱膨脹及管道補償方式的影 響及限制。此外，地溝及架空管道兩固定點之間的大長度是由管道失穩(wěn)條件決定的，它與 管徑的大小及補償器的補償能力有關(guān)，而直埋蒸汽管道兩固定點之間的大長度在受補償器 補償能 力的限制的同時也受管道保溫結(jié)構(gòu)的約束。例如，由于保溫結(jié)構(gòu)對直管段及彎頭的徑向位移 空間的限制，使得直埋蒸汽管道不能象地溝或架空管道那樣可以利用管網(wǎng)的實際路由走向選 擇 不同形式的補償器，直埋蒸汽管道的補償器只能采用軸向型的，自然補償管段也只能設(shè)計得 較短。而直埋蒸汽管道的強度驗算和地溝或架空敷設(shè)的設(shè)計方法是一致的，即采用彈性分析 的方法，工程實踐證明這種設(shè)計方法是可靠的。

2、合理地選擇預(yù)制復(fù)合保溫管道是直埋蒸汽管道工程設(shè)計的關(guān)鍵：
當我們做一項工程設(shè)計時，首先要根據(jù)工程的實際情況合理選擇復(fù)合保溫管，確認它的保溫 結(jié)構(gòu)、材料及其性能能滿足設(shè)計參數(shù)及工程特性的要求，并根據(jù)管網(wǎng)的布置狀況向生產(chǎn)廠 家明確提出管系及特殊管件的具體要求。
鋼套鋼保溫管對管道的保溫材料及保溫結(jié)構(gòu)的基本要求是，保溫材料本身的性能優(yōu)良，具有 較強的憎水性，并且在特殊環(huán)境(如高溫)下其自身特性變化不大；保溫管道的整體結(jié)構(gòu)要具 有足夠的機械強度；外保護套要有可靠的防腐能力和承內(nèi)壓、外載能力。此外，直埋蒸汽管 道還應(yīng)滿足以下要求： 2.1、 管道在保溫層內(nèi)能夠充分地滑動 管道在工作時因溫度的變化會出現(xiàn)熱脹冷縮，在直管段上產(chǎn)生軸向位移，在彎頭及其附近會 有軸向位移和徑向位稱同時產(chǎn)生。為了保證管系熱應(yīng)力的充分釋放同時減小管道對固定墩的 推 力，要求管道與保溫層之間的滑動摩擦系數(shù)要低。現(xiàn)生產(chǎn)廠家多采用在管道與保溫層之間設(shè) 減阻層的方法，效果好的可將摩擦系數(shù)減小到0.3以下。當彎頭處采取自然補償?shù)姆绞綍r， 要求彎頭及其兩側(cè)一定長度的管道要有足夠的軸向位移及徑向位移的空間。

2.2、 要保證管道保溫結(jié)構(gòu)本身和周圍土壤的溫度場的要求
由于鋼套鋼保溫管的介質(zhì)溫度高，如不有效地控制保溫結(jié)構(gòu)各環(huán)節(jié)的溫度，就會造成保溫管 道的保溫層、外防護層的破壞，嚴重時可導致管網(wǎng)全線破壞。例如復(fù)合預(yù)制保溫管的低溫保 溫層 一般都采用聚氨脂，其較高適用溫度是140℃，如果該界面溫度超過140℃并長期運行，就會 造成聚氨脂碳化、強度減弱、保溫失效。
此外，管道外表面溫度升高時，對其混凝土固定墩 、管道周圍的電纜、上、下水管等都會造成影響甚至破壞。
因此設(shè)計鋼套鋼保溫管時，一定 要對管道的整體及局部的溫度控制(向保溫管生產(chǎn)廠)提出明確要求。 2.3、 要具有排潮裝置
保溫管在工廠生產(chǎn)、運輸及安裝過程中不可避免地含有或吸收一些潮氣甚至少量水分，這些 潮氣或水分在管道運行時經(jīng)管內(nèi)蒸汽加熱就會形成蒸汽，如不及時迅速地排除出去，就會使 保溫層間的溫度、壓力升高，甚至破壞保溫結(jié)構(gòu)。

2.4 要有可靠的外防護層
目前，國內(nèi)使用的復(fù)合預(yù)制保溫管的外保護套有三種材料，即聚乙烯、玻璃鋼、鋼。玻璃鋼 材料現(xiàn)在國家還沒有制定統(tǒng)一的技術(shù)標準，質(zhì)量不易保證；采用聚乙烯外套則管件與管道的 (外套)接口不好處理，如固定節(jié)與管道、補償器與管道的接口處，這些接口如處理不好，運 行過 程中地下水就會滲入管道保溫層并形成蒸汽，嚴重時會導致管網(wǎng)全線報廢；鋼外套雖然嚴 密但工程造價高，并且外防腐如果處理不好就不能保證管網(wǎng)的使用壽命，同時由于鋼外套 本身溫度應(yīng)力的作用，管道的固定墩比聚乙烯外套的預(yù)制保溫管大很多。綜上所述，我們在 進行設(shè)計時，要根據(jù)工程的具體情況進行分析比較，確定使用哪種外防護套，并根據(jù)外防護 套的材料提出對管件結(jié)構(gòu)的要求。

3、 鋼套鋼保溫管工程的設(shè)計：
在上述設(shè)計基本原則的構(gòu)思指導下，管系的整體設(shè)計過程是在管網(wǎng)水力計算、強度驗算后， 根據(jù)管網(wǎng)的路由走向，結(jié)合工程的實際狀況和特定的外界條件，合理地設(shè)置管道的熱補償及 所有管件。

3.1、 將管網(wǎng)合理地劃分成若干個封閉的保溫管段
因為復(fù)合預(yù)制保溫管道的結(jié)構(gòu)是管道與保溫層之間是有位移空隙的，管網(wǎng)在運行時一但某一 點發(fā)生蒸汽管道泄漏或外防護層破損外漏，則熱媒蒸汽或地下水受熱汽化就會通過管道與 保溫層之間的這一“通道”遍布整個管網(wǎng)，嚴重時會使整個管網(wǎng)遭受損失。將管網(wǎng)分成若干 個封閉的保溫管段，就能夠縮小事故的影響段，便于查找事故點。因此我們在工程設(shè)計中， 根據(jù)現(xiàn)場的具體條件，將每一對固定墩之間及主干線與支線之間都設(shè)計成封閉的保溫管段。

3.2、 管網(wǎng)熱補償?shù)脑O(shè)計：
如前所述，由于受管道保溫結(jié)構(gòu)的限制，管網(wǎng)直管段的補償器只能采用直埋式軸向型的。按 照通常做法，軸向型波紋補償器都布置在固定支架旁以防止其軸向失穩(wěn)，但筆者認為，這種 布置方法對波紋補償器的每個波節(jié)吸收位移的工作受力傳遞不均，發(fā)揮的補償能力不充分。 我們認為解決補償器軸向失穩(wěn)問題除與其布置位置有關(guān)外，更主要的是取決于補償器自身的 性能和質(zhì)量。因此，我們在設(shè)計時，一定要選擇自導向性能好、抗失穩(wěn)能力強的補償器；而 對于補償器的布置則要根據(jù)工程的實際情況靈活運用，根據(jù)管系的分段長度及具體條件可布 置在兩固定墩中央或之間的任意位置，這樣既能躲避復(fù)雜的地下障礙的影響，又能滿足管段 的補償要求。但要注意，補償器不要布置在彎頭或折點旁。實踐證明這種設(shè)計方法是可靠的 。
補償器的保溫結(jié)構(gòu)一定要滿足強度及溫度控制要求，同時，補償器的保溫結(jié)構(gòu)應(yīng)不影響補償 器的自身性能及正常工作。

3.3、 合理布置管網(wǎng)的疏水點
由于蒸汽管網(wǎng)運行負荷不穩(wěn)定，甚至經(jīng)常會有零負荷狀態(tài)，在這一時間段內(nèi)管網(wǎng)的凝結(jié)水很 多，如不及時排出就會發(fā)生水擊，嚴重時會對管網(wǎng)造成破壞。因此，合理設(shè)置疏水點是管網(wǎng) 安全運行的保證。我們在設(shè)計時對疏水點的布置考慮了以下幾點：(a)沿管網(wǎng)汽源方向并根 據(jù)管網(wǎng)的路由高程將管網(wǎng)做成有坡度設(shè)計，順流疏水。(b)在地下障礙多，管道敷設(shè)呈縱 向 起伏的管段，采用多低點疏水；當逆流疏水時，盡量加大管道坡度。(c)我們目前使用的疏 水節(jié) 的結(jié)構(gòu)是在管道底部設(shè)集水罐，由集水罐引出疏水管。由于管道運行時存在反復(fù)熱位移，會 對疏水管根部的焊口產(chǎn)生剪切力造成破壞，為了避免這種情況發(fā)生， 我們設(shè)計時將疏水節(jié)設(shè)在固定節(jié)旁，或要求保溫管生產(chǎn)廠家將疏水節(jié)和固定節(jié)做為一體。
為了管網(wǎng)運行維護安全，操作方便，我們在設(shè)計中，*采用了背壓疏水的方式，不管管道 埋深多少，疏水井均設(shè)在地下0.5至0.8米深的位置，每個疏水點均設(shè)自動疏水器和啟動疏放 水旁路閥，并在設(shè)計說明中對啟動運行的疏放水操作提出明確要求。實際運行證明這種疏水 方式是安全可靠的。 3.4 合理地設(shè)計管道的埋深
直埋蒸汽管道的埋深是決定管道外表面溫度的條件之一，因為土壤的導熱系數(shù)不僅與土壤的 種類、化學成分、含水量有關(guān)，還與土壤的埋設(shè)深度有關(guān)，實驗證明，隨著埋深的增加，土 壤 的導熱系數(shù)降低，因此，管道埋得過深會使管道的外表面溫度升高。我們在設(shè)計時，在保證 管道不被地上荷載破壞，即滿足強度要求的前提下，應(yīng)盡量淺埋，筆者認為，在地下條件允 許的地方，管道的埋深以0.8～1.0米為宜。
3.5、 固定墩的設(shè)計及鋼外套管的應(yīng)力計算：
鋼套鋼保溫管與直埋熱水管道的固定節(jié)的受力結(jié)構(gòu)基本相同，即在管道上焊接固定環(huán)板。但 鋼套鋼保溫管的固定節(jié)存在的問題是環(huán)板溫度很高，并且由于熱橋的作用，環(huán)板兩側(cè)管道的 外表面溫度也很高，因此，即使是聚乙烯外套的預(yù)制復(fù)合保溫管，其固定節(jié)處的外保護套也 不能直接使用聚乙烯，國內(nèi)目前多采用的做法是在固定節(jié)處采用鋼外套 ，并增加固定節(jié)的長度以保證管道和固定節(jié)的接口部分的外表面溫度不超過設(shè)計要求，這就 使管網(wǎng)出現(xiàn)了鋼塑接口問題，這一問題目前仍沒有令人十分滿意的處理方法。對于鋼外套的 預(yù)制復(fù)合保溫管，固定節(jié)處的鋼外套的防腐應(yīng)考慮到耐高溫問題。直埋蒸汽管道固定墩的論鋼套鋼保溫管的設(shè)計土 建設(shè)計要采用耐熱混凝土。

對于鋼外套的預(yù)制復(fù)合保溫管，設(shè)計時還要考慮鋼外套管的應(yīng)力分布。鋼套鋼保溫管的外表 面設(shè)計溫度一般是50℃，按照直埋熱水管道的設(shè)計原理，這一溫度對直管段產(chǎn)生的熱應(yīng)力完 全不必進行驗算，但對于彎頭、折點、三通等應(yīng)力集中點就需要進行安定性分析及驗算。筆 者在設(shè)計時，對鋼外套管系是按照直埋熱水管道的設(shè)計方法來處理的。
對固定墩的推力計算，除應(yīng)考慮固定墩兩側(cè)管道補償器的彈性反力、不平衡內(nèi)壓力及管道的 摩 擦力外，對鋼外套的預(yù)制復(fù)合保溫管還應(yīng)考慮鋼外套管對固定墩的推力。例如，按照外表面 溫度較高50℃計算，當工作鋼管直徑為DN350、外保護套管直徑力DN700時，采用鋼外套管的 固定墩的推力比塑套管的固定墩推力大可提高10倍。雖然采用在鋼外套管上設(shè)補償器的方 法可以減小固定墩的推力，但由于外補償器的防腐問題目前還沒有十分可靠的方法，從而不 能 保證管網(wǎng)的使用壽命。為了解決上述問題，對固定墩的設(shè)計我們利用相對固定的概念，采用 內(nèi)固定的方法，即將固定環(huán)板焊接在工作鋼管與鋼外套管之間的方式。鋼外套管對于工作鋼 管視為 固定參照物，其內(nèi)固定節(jié)強度結(jié)構(gòu)只考慮工作鋼管的推力Fj即可。對鋼外套管來說，F(xiàn)j僅為 它的內(nèi)平衡力，復(fù)合保溫管的整體的穩(wěn)定由土壤作用在鋼外套管上的被動土壓力來滿足平衡 。在小白樓蒸汽管道改造工程中，我們采用了全部內(nèi)固定的方式，解決了因地下條件惡劣而 無法做固定墩的難題，既縮短了施工周期，又降低了工程造價。

3.6、 管件的設(shè)置：

3.6.1、 彎頭
起自然補償作用的彎頭將產(chǎn)生軸向及徑向位移，為了保證管道在彎頭處的熱位移不受約束， 并使預(yù)制復(fù)合保溫彎頭的保溫結(jié)構(gòu)不被擠壞，必須在工作彎頭與保溫層間留有位移空間。德 國布魯格公司將保溫彎頭做成轉(zhuǎn)角處凸出的“大肚”型結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)彎頭變形位移量的要求 。目前國內(nèi)的普遍做法是彎頭處填充松軟的保溫材料。我們在工程設(shè)計中，應(yīng)就自然補償管 段的熱補償量問題同保溫管生產(chǎn)廠家交換意見并達成一致，以使彎頭處的保溫結(jié)構(gòu)既能夠 大限度地吸收管道的熱位移，又能保證其結(jié)構(gòu)不被破壞。

3.6.2、合理設(shè)置排潮管：
我們在工程設(shè)計中，每段封閉的保溫管段之間均設(shè)一至二個排潮管，排潮管應(yīng)引到地面以上 ，行人、車輛無障礙的安全地方，排潮管口要向下彎，以避免雨雪由排潮口進入管道的保溫 層。

3.6.3、三通、大小頭、閥門等的設(shè)置：
對于容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的管件，我們在工程設(shè)計中遵循的原則是通過分析管系的應(yīng)力分布狀 況，盡量布置在軸向、徑向位移量小的地方，右靠近固定墩布置。必要時向廠家提出加強管 件強度措施的要求。在選擇閥門時，注意考慮閥門承受內(nèi)壓及軸向力的能力。此外，管件與 管 道、管道與管道的連接處的保溫及密封處理要做到連續(xù)、嚴密。直埋蒸汽管道工程是一項系 統(tǒng)工程，這一點已為業(yè)內(nèi)人士所共識。從管網(wǎng)的設(shè)計到管道的 制造、安裝及管網(wǎng)的啟動運行，每個環(huán)節(jié)都直接影響著工程的成敗。而一項好的設(shè)計可以使 產(chǎn)品的性能得以充分發(fā)揮，可以大限度地減少施工中的困難，可以降低工程造價。因此， 我們的設(shè)計一定要做到嚴謹合理，為工程的成功提供可靠的前提保證。