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鋼套鋼蒸汽保溫管設(shè)計(jì)理論淺析

摘 要：根據(jù)直埋熱水管道和直埋蒸汽管道的不同特性，介紹了兩種管道的應(yīng)力驗(yàn)算及強(qiáng)度計(jì)算，并對(duì)兩種直埋熱力管道的敷設(shè)方式和保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析比較。

1 、概述
國(guó)內(nèi)外熱力管道直埋技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有 60 多年的歷史。隨著高分子有機(jī)材料的發(fā)展，20 世紀(jì) 50年代初，國(guó)外開(kāi)始研制預(yù)制保溫管，采用聚氨酯泡沫塑料作保溫材料，以高密度聚乙烯作為保溫管的外殼。由于這種保溫管具有較好的防水性，因而可用于地下水位高、土壤潮濕的地區(qū)。國(guó)內(nèi)在 20 世紀(jì) 50 年代曾經(jīng)采用澆灌泡沫混凝土的管道直埋敷設(shè)方式，20 世紀(jì) 70 年代采用瀝青珍珠巖保溫的熱力管道直埋敷設(shè)技術(shù)。1977 年對(duì)用瀝青珍珠巖保溫的直埋熱力管道進(jìn)行了無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)實(shí)驗(yàn)。20世紀(jì) 80 年代出現(xiàn)了兩種新型的預(yù)制保溫管：一種是保溫結(jié)構(gòu)為氰聚塑形式的預(yù)制保溫管，一種是管中管形式的預(yù)制保溫管。目前這兩種形式的預(yù)制保溫管已大量生產(chǎn)，并廣泛應(yīng)用于城市供熱管網(wǎng)及工礦企業(yè)。近年來(lái)采用復(fù)合保溫管結(jié)構(gòu)的直埋熱力管道也得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
隨著我國(guó)“熱電聯(lián)產(chǎn)”的迅速發(fā)展，熱力管道敷設(shè)方式有了重大變革，目前對(duì) 150℃ 以下的熱水管道，幾乎全部實(shí)現(xiàn)直埋敷設(shè)，經(jīng)過(guò)多年的研究開(kāi)發(fā)和實(shí)際應(yīng)用，技術(shù)已比較成熟和配套，并已有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程做指導(dǎo)。蒸汽管道直埋敷設(shè)近年來(lái)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。經(jīng)過(guò)多年的探索，現(xiàn)已出現(xiàn)理想的預(yù)制直埋式耐高溫復(fù)合保溫管，并探索出一整套科學(xué)的、實(shí)用的蒸汽管道直埋敷設(shè)設(shè)計(jì)方法和節(jié)點(diǎn)處理技術(shù)措施。直埋熱水管道和直埋蒸汽管道在設(shè)計(jì)、施工要求上均有很大不同。本文從兩種管道的應(yīng)力驗(yàn)算、保溫結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行分析和比較。

鋼套鋼蒸汽保溫管設(shè)計(jì)理論淺析

2、應(yīng)力驗(yàn)算
直埋熱水管道和直埋蒸汽管道的應(yīng)力驗(yàn)算均采用應(yīng)力分類(lèi)法［1］。應(yīng)力分類(lèi)法的主要特點(diǎn)是將管道上的應(yīng)力分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力三類(lèi)，并采用相應(yīng)的應(yīng)力驗(yàn)算條件。管道由內(nèi)壓和持續(xù)外載產(chǎn)生的應(yīng)力屬于一次應(yīng)力，它是為了滿足靜力平衡條件而產(chǎn)生的。當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到甚至超過(guò)屈服極*，由于材料進(jìn)入屈服或靜力平衡條件得不到滿足，管道將產(chǎn)生過(guò)大變形甚至破壞。一次應(yīng)力的特點(diǎn)是變形為非自限性的，對(duì)應(yīng)力驗(yàn)算應(yīng)采用彈性分析或極限分析。

管道由于熱脹、冷縮等變形受約束而產(chǎn)生的應(yīng)力屬于二次應(yīng)力，它是為了滿足結(jié)構(gòu)各部份之間的變形協(xié)調(diào)而引起的應(yīng)力。當(dāng)部分材料超過(guò)屈服極*，由于產(chǎn)生小量的塑性變形，變形協(xié)調(diào)得到滿足，變形就不再繼續(xù)發(fā)展。它具有自限的特點(diǎn)。對(duì)二次應(yīng)力采用安定性分析。所謂安定性是指結(jié)構(gòu)不發(fā)生塑性變形的連續(xù)循環(huán)，管道在有*塑性變形之后，在留有殘余應(yīng)力的狀態(tài)下，仍能安定在彈性狀態(tài)。安定性分析允許的大彈性應(yīng)力變化范圍是屈服極限的兩倍。峰值應(yīng)力是指管道或附件（如三通等）上由于局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)或局部熱應(yīng)力效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力增量。它的特點(diǎn)是不引起顯著的變形，是一種導(dǎo)致疲勞裂紋或脆性破壞的可能原因，必須根據(jù)管道整個(gè)使用期限所受的循環(huán)荷載進(jìn)行疲勞分析。但對(duì)低循環(huán)次數(shù)的供熱管道，對(duì)在管道上出現(xiàn)峰值應(yīng)力的三通、彎頭等局部應(yīng)力集中處，可采用簡(jiǎn)化公式，計(jì)入應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。

鋼套鋼蒸汽保溫管設(shè)計(jì)理論淺析

在計(jì)算中，直埋供熱管道的一次應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力不應(yīng)大于鋼材在計(jì)算溫度下的基本許用應(yīng)力［σ］；二次應(yīng)力及一次應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力變化范圍不應(yīng)大于鋼材在計(jì)算溫度下基本許用應(yīng)力［σ］的三倍；管道局部應(yīng)力集中部位的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力變化幅度不應(yīng)大于鋼材在計(jì)算溫度下基本許用應(yīng)力［σ］的三倍。
根據(jù)安定性理論，當(dāng)直管段的當(dāng)量應(yīng)力變化范圍滿足下列表達(dá)式的要求時(shí)，管系中允許有錨固段存在：σj=（1 -v）σt-αE（ t2- t1）≤3［σ］（1） 式中
σj ———內(nèi)壓、熱脹應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力變化范圍，MPa；
v———鋼材的泊松系數(shù)；
σt ———管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力，MPa； α———鋼材的線膨脹系數(shù)，m / m?℃； E ———鋼材的彈性模量，MPa； t2———管道工作循環(huán)低溫度，℃； t1———管道工作循環(huán)較高溫度，℃；
［σ］———鋼材在計(jì)算溫度下的基本許用應(yīng)力，MPa。 管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力σt 按下式計(jì)算：
σt=P（ D - 2δ） / 2δ （2） 式中
P——管道內(nèi)壓力，MPa；
D——管道外徑，mm； δ——管道壁厚，mm。
通過(guò)計(jì)算， 供 熱 管 道 介 質(zhì) 溫 度 不 超 過(guò)150 ℃時(shí)，仍然滿足上述要求。例如：當(dāng)t1=150 ℃、 t2= 5 ℃、 P = 1. 0 MPa時(shí)， D529 × 9 管道和 D57× 3. 5 管道的當(dāng)量應(yīng)力變化范圍分別為 368 MPa和 355 MPa，而 Q235 - A 鋼管的基本許用 應(yīng) 力 的 三 倍 為 375 MPa。在 工 程 應(yīng) 用 中，集中供熱熱水溫度通常低于 150 ℃（如熱水一次網(wǎng)供、回水溫度通常為 130 ℃ / 80 ℃，二次網(wǎng)供、回水溫度 通 常 為 95 ℃ / 70 ℃ ），而集中供熱蒸汽溫度通常高于 150 ℃（如熱電廠對(duì)外供熱蒸汽溫度通常為 300 ℃，集中供熱站對(duì)外供汽溫度通常為 194 ℃），這表明直埋熱水管道允許有錨固段存在，而直埋蒸汽管道不允許有錨固段存在，這一區(qū)別導(dǎo)致了直埋熱水管道和直埋蒸汽管道在敷設(shè)方式和保溫結(jié)構(gòu)方面的不同。直埋熱水管道由于允許有錨固段存在，因而可以采用無(wú)補(bǔ)償敷設(shè)方式，其保溫結(jié)構(gòu)可以和鋼制內(nèi)管粘合為一體，一起錨固在土壤中；而直埋蒸汽管道不允許有錨固段存在，只能采用有補(bǔ)償敷設(shè)方式，使溫差產(chǎn)生的軸向應(yīng)力被補(bǔ)償器或有補(bǔ)償能力的管件平衡，其保溫結(jié)構(gòu)應(yīng)和鋼制 內(nèi)管脫開(kāi)，以利于鋼制內(nèi)管的熱位移。

3、直埋熱力管道保溫結(jié)構(gòu)及性能
直埋熱水管道由鋼制內(nèi)管、保溫層和保護(hù)外殼結(jié)合為一體，保溫層和保護(hù)外殼組成保溫結(jié)構(gòu)。保溫管直埋地下，直埋熱水管道保溫結(jié)構(gòu)除具有管道保溫的功能外，還具有傳遞力、抵抗土壤壓迫的功能。保溫層和外殼必須具有足夠的強(qiáng)度以克服土壤對(duì)管殼在管道徑向產(chǎn)生的壓力和管道在土壤中橫向位移時(shí)土壤對(duì)管殼的擠壓，保證保溫結(jié)構(gòu)形狀完整； DN500 埋深1. 5 m，管道承受約37. 2 kPa 的壓力，如管道有徑向（橫向）位移，每位移 1 mm，所承受的壓力有 3 ～ 4 kPa（管道四周為粉質(zhì)粘土或砂質(zhì)粉土，回填密實(shí)度為 90% ～ 95%，土壤橫向壓縮反力系數(shù)取 3 × 10 ～ 4 × 10 N / m3
），因此規(guī)范中要求保溫層具有大于
200 kPa 的 抗 壓 強(qiáng) 度。外殼、保溫層和鋼管相互之間的粘結(jié)強(qiáng)度也是保證保溫結(jié)構(gòu)完整所必須的。直埋供熱管道的保溫層需要能傳遞剪切力，以克服管道軸向位移時(shí)土壤對(duì)管道外殼的摩擦力。單位長(zhǎng)度直埋敷設(shè)預(yù)制保溫管的外殼與土壤之間的摩擦力，按下式計(jì)算：
F =πρgµ（ H + Dc/ 2）Dc （3）
式中 F———軸 線 方 向 每 米 管 道 的 摩 擦 力，N / m；
ρ———土壤密度，kg / m3
； g———重力加速度，9. 81 m2/ s； µ———土壤與管殼之間摩擦系數(shù)；
H———管頂覆土深度，當(dāng) H > 1. 5 m時(shí)，取1. 5 m； Dc———管外殼直徑，mm。

外殼與保溫層粘結(jié)的牢固程度以及保溫層與內(nèi)鋼管粘結(jié)的牢固程度都應(yīng)證傳遞軸向剪切力，其剪切強(qiáng)度為：
τ = Fmax/πDc=ρgµmax（ H + Dc/ 2） （4） 式中 Fmax———土壤與管殼大摩擦力，N / m；
µmax———土壤與管殼之間大摩擦系數(shù)。
經(jīng)計(jì)算，對(duì) DN20 保溫管保溫層與內(nèi)鋼管表面粘結(jié)抗剪強(qiáng)度必須大于37.2kPa。對(duì)于DN500 保溫管外殼與內(nèi)保溫層粘結(jié)抗剪強(qiáng)度要大于13. 6 kPa，因 此，規(guī) 范 中要求保溫層剪切強(qiáng)度 （含與內(nèi)管和外殼粘結(jié)）大于或等于120kPa。
與直埋熱水管道不同，直埋蒸汽管保溫結(jié)構(gòu)國(guó)內(nèi)外基本上均是采用脫開(kāi)式，即鋼制內(nèi)管與保護(hù)外殼之間在運(yùn)行中有軸向位移。目前主要有以下幾種形式：無(wú)機(jī) - 有機(jī)復(fù)合型（其組成由內(nèi)至外依次為鋼制內(nèi)管—減阻層—無(wú)機(jī)保溫層—有 機(jī) 保 溫 層—外 護(hù) 套 管 ）， 純 無(wú) 機(jī) 型（鋼制 內(nèi) 管 - 無(wú) 機(jī) 保 溫 層 - 空 氣 層—外 護(hù) 套管），雙套管復(fù)合型（鋼制內(nèi)管—無(wú)機(jī)保溫層—空氣層—內(nèi)套管—有機(jī)保溫層—外護(hù)套管）。前者為內(nèi)滑動(dòng)式，即鋼制內(nèi)管與保溫層之間通過(guò)減阻層隔開(kāi)，減阻層作為滑動(dòng)面；后兩者為外滑動(dòng)式，即保溫層與外護(hù)套管之間通過(guò)空氣層隔開(kāi)，空氣層作為滑動(dòng)面。減阻層通常選用硅酸鋁纖維，無(wú)機(jī) - 有機(jī)復(fù)合型的無(wú)機(jī)保溫層應(yīng)選用硬質(zhì)保溫材料，如硅酸鈣；純無(wú)機(jī)型和雙套管復(fù)合型的無(wú)機(jī)保溫層宜選用半硬質(zhì)纖維類(lèi)保溫材料，有機(jī)保溫層選用聚胺酯，外護(hù)套管可為高密度聚乙烯套管、玻璃鋼套管和鋼套管，采用鋼套管時(shí)，應(yīng)做外防腐，必要時(shí)加電化學(xué)保護(hù)。

結(jié) 語(yǔ)
直埋熱水管道和直埋蒸汽管道的應(yīng)力驗(yàn)算均采用應(yīng)力分類(lèi)法，但由于這兩種管道的工作溫度不同，使得這兩種管道的敷設(shè)方式和保溫結(jié)構(gòu)都不相同，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以區(qū)別。