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蒸汽地埋管設(shè)計開發(fā)中幾個關(guān)鍵技術(shù)的思考與探討

一、直埋蒸汽管道技術(shù)發(fā)展概況
　　目前，我國直埋蒸汽管道市場需求愈來愈大，而且有迅猛發(fā)展之勢。這種局面的出現(xiàn)， 主要由以下原因促成：

　　A、我國推廣“集中供熱”、“熱電聯(lián)產(chǎn)”、“三聯(lián)供”等節(jié)能、環(huán)保政策的需要；

　　B、現(xiàn)代文明城鎮(zhèn)建設(shè)的加速和對節(jié)能、環(huán)保的高要求；

　　C、國家為了提高人民生活質(zhì)量水平，供熱范圍由嚴(yán)寒的“三北”地區(qū)（即華北、東北 、西北）向廣闊的冬寒夏熱的“過渡地區(qū)”擴(kuò)展的需求。

1.1、研究、開發(fā)、應(yīng)用等方面取得了長足進(jìn)步

　　為適應(yīng)直埋蒸汽管道迅速發(fā)展的市場需求，近幾年來我國廣大科技人員、生產(chǎn)廠家在直 埋蒸汽管道技術(shù)的研究、開發(fā)、應(yīng)用等方面，付出了大量心血，取得了長足進(jìn)步。保溫結(jié)構(gòu)型式和選用材料之多樣化，工程實(shí)踐規(guī)模之大，世界上沒有一個國家可以和我們相比。筆者 曾多次和德國布魯格、意大利索克薩姆以及美國等多家公司交流，他們一般大管徑Φ500m m，用量也不大，而目前我國山東濟(jì)南、河北石家莊、陜西西安、遼寧大連、河南、江浙等 地區(qū)所采用的直埋蒸汽管道已超過Φ500mm，有的已達(dá)Φ900mm。保溫結(jié)構(gòu)型式有內(nèi)滑動、外 滑動，選用的耐高保溫材料有微孔硅酸鈣、玻璃棉管殼、熱壓珍珠巖、硅珠保溫材料、復(fù)合硅酸鹽等。保溫結(jié)構(gòu)型式、選用保溫材料種類很多。因此在直埋蒸汽管道開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域， 我國并不比發(fā)達(dá)國家落后。

1.2、一方面肯定研究、開發(fā)方面的寶貴經(jīng)驗，另一方面也應(yīng)清醒地認(rèn)識到目前我國蒸 汽管道直埋敷設(shè)技術(shù)在研究、設(shè)計、生產(chǎn)、材料、檢測等方面，尚存在著理論、技術(shù)、管理等方面諸多問題，距這項技術(shù)的完善還有很大距離。筆者通過對南、北方一些工程事故調(diào)研 發(fā)現(xiàn)，由于基礎(chǔ)理論研究滯后于開發(fā)，設(shè)計計算不確，產(chǎn)品粗制濫造，施工馬虎從事，運(yùn)行違規(guī)操作等，造成部分蒸汽管道直埋不久便出現(xiàn)“跑、冒、漏、傷”，“帶病運(yùn)行”問題， 遺患于后，危及安全生產(chǎn)。在此種情況下，應(yīng)冷靜、客觀地對以往的實(shí)踐進(jìn)行實(shí)事求是的科學(xué)分析、研究、總結(jié)，繼而加強(qiáng)科研力度，以促進(jìn)蒸汽管道直埋技術(shù)的進(jìn)一步提高和完善。

二、對直埋蒸汽管道幾個關(guān)鍵技術(shù)的思考與探討
　　蒸汽管道直埋技術(shù)是一項涉及熱力學(xué)、材料力學(xué)、巖土力學(xué)、流體力學(xué)以及有機(jī)材料、 無機(jī)材料、防腐、電化學(xué)等多學(xué)科的系統(tǒng)工程，而且投入生產(chǎn)后是動態(tài)運(yùn)行，所以蒸汽管道直埋敷設(shè)與熱水管道直埋敷設(shè)相比較，技術(shù)復(fù)雜的多。據(jù)有關(guān)專家總結(jié)，直埋蒸汽管道通常 有三大系統(tǒng)，十三個結(jié)點(diǎn)處理，每一項處理不當(dāng)，就會立即或即將造成工程事故，隱患性很大。篇幅所限，不能展開討論，下面僅對幾個關(guān)鍵技術(shù)提幾點(diǎn)參考意見，以期“拋磚引玉” 。

2.1、關(guān)于保溫結(jié)構(gòu)計算

　　2.1.1、蒸汽管道直埋敷設(shè)與架空、地溝敷設(shè)傳熱狀態(tài)不同，架空敷設(shè)是向無限空間傳熱，地溝敷設(shè)是熱介質(zhì)通過保溫材料、流動空氣層、溝壁等以不同傳熱狀態(tài)向周圍土壤傳熱 ，而直埋敷設(shè)，簡化講熱介質(zhì)是向周圍土壤按一維穩(wěn)態(tài)傳熱，土壤可視為保溫結(jié)構(gòu)一部分。以目前國內(nèi)常用的內(nèi)滑動式復(fù)合結(jié)構(gòu)蒸汽保溫管為例，計算過程中首先應(yīng)劃定三個界面溫度。

　　無機(jī)保溫材料與有機(jī)保溫材料接觸處可視為界面，外保護(hù)層與土壤接觸處視為第二 界面，地表與空氣接觸面視為第三界面。計算時應(yīng)先控制三個界面溫度，界面溫度控制在有機(jī)材料耐溫能力以下；第二界面溫度應(yīng)控制保護(hù)層的防腐、防水及機(jī)械性能不遭受大幅 度衰減或破壞；第三界面溫度則控制不會因界面溫度升高而使得管道周圍土壤熱阻值提高，從而造成、二界面溫度升高破壞保溫結(jié)構(gòu)。所以在保溫結(jié)構(gòu)計算過程中，應(yīng)校核當(dāng)?shù)貥O 高、極低環(huán)境溫度的影響，必要時應(yīng)適當(dāng)調(diào)整保溫結(jié)構(gòu)各層保溫材料的厚度，以確保保溫結(jié)構(gòu)安全。同時，計算過程中不能簡單地按架空管道保溫結(jié)構(gòu)或按<通則>中公式進(jìn)行計算，而應(yīng)結(jié)合節(jié)能50％，管網(wǎng)輸送效率提高到大于90％的要求（“直埋蒸汽管道保溫結(jié)構(gòu)研究與計 算”，《區(qū)域供熱》2001年第1期）。

　　2.1.2、保溫計算中，對土壤、保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)選取不能草率，這兩個系數(shù)的選取正確與否，往往影響保溫效果和管道運(yùn)行安全性。

　　土壤的導(dǎo)熱系數(shù)在0.5～2.5w/m.k之間，跨度很大，其大小與土壤種類、含水量大小、 化學(xué)成分、埋設(shè)條件等多種因素有關(guān)。在工程設(shè)計時應(yīng)堅持實(shí)測當(dāng)?shù)赝寥缹?dǎo)熱系數(shù)或求助當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)部門提供資料，認(rèn)真確定土壤導(dǎo)熱系數(shù)值。如果只根據(jù)“無資料可查時取1.5w/m.k” 確定土壤導(dǎo)熱系數(shù)不是科學(xué)的，因為不能確切反映管道所處的土壤實(shí)際情況，造成計算結(jié)果 誤差很大。例如南方高水位地區(qū)和西部干燥地區(qū)的土壤導(dǎo)熱系數(shù)值相差成倍，那么保溫結(jié)構(gòu)計算結(jié)果也會差異很大，如果草率計算，會造成管道表面溫度過高或過低，破壞管道保護(hù)層 或不經(jīng)濟(jì)。所以，應(yīng)使用當(dāng)?shù)貙?shí)測土壤導(dǎo)熱系數(shù)值來計算。石家莊供熱指揮部等單位堅持實(shí)測導(dǎo)熱系數(shù)的做法是科學(xué)態(tài)度。

　　對各種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，不能簡單以廠家提供的單體數(shù)值為準(zhǔn)，而應(yīng)搞清楚該數(shù)值 是在何種溫度，何種條件，哪一級檢測部門測定的，有否導(dǎo)熱系數(shù)方程式。然后盡量參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定的導(dǎo)熱方程式來選取、確定導(dǎo)熱系數(shù)。例如微孔硅酸鈣，筆者見過幾個廠家標(biāo)出 的導(dǎo)熱系數(shù)都不同，這時應(yīng)憑據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T10699－1998<硅酸鈣絕熱制品>相關(guān)條文選取， 送樣檢測后確定導(dǎo)熱系數(shù)。

2.2、保溫結(jié)構(gòu)型式選擇應(yīng)因地制宜

　　由于蒸汽管道介質(zhì)溫度高，保溫結(jié)構(gòu)不可能做成像直埋熱水管道那樣“三位一體”，需 要做成“脫開式”，即工作鋼管與保溫層或外護(hù)層脫開。

　　2.2.1、國外基本是采用鋼外護(hù)層

　　德國、美國采用外滑動式，即綁縛著保溫材料的工作鋼管在鋼外護(hù)層內(nèi)滑動。只有意大利薩克

2.2.2、我國對于蒸汽管道直埋技術(shù)的研究與開發(fā)，是摸索前進(jìn)的，在摸索保溫結(jié)構(gòu)型式過程中，大致分為三個階段。

　　外護(hù)層：

　　階段：采用“塑套鋼”，型式，即外護(hù)層采用高密度聚乙烯，工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，聚乙烯耐溫能力太差，當(dāng)局部熱流外泄，很容易造成外護(hù)層蠕變、鼓脹破壞，聚乙烯做外護(hù)層不適用于蒸汽管道，目前已成為共識。

　　第二階段：采用玻璃鋼做外護(hù)層，而溫能力大大強(qiáng)于聚乙烯，加工工藝由于是采用纏撓式，與采用聚乙烯管做保護(hù)層需要穿管比較，可以克服偏心，質(zhì)量有保證。但由于對玻璃鋼制造工藝機(jī)理了解不透，采用了簡陋方式，同時，玻璃鋼外護(hù)層標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)時還沒有頒布。制造的玻璃鋼外護(hù)層質(zhì)量低下，運(yùn)輸、安裝過程中再違規(guī)操作，出現(xiàn)局部開裂破壞，動搖了采用玻璃外護(hù)層的信心。

　　第三階段：仿照國外采用鋼外護(hù)層，即鋼地溝型式。由于國情所限，*仿照國外，使用單位經(jīng)濟(jì)難以承受，制造企業(yè)只能簡易從事，但它的“優(yōu)勢”是前二年、三年不易發(fā)現(xiàn)問題，于制造商保一個運(yùn)行循環(huán)有利，所以近期這種型式較為“走火”。不過建立開發(fā)、使用單位應(yīng)冷靜考慮遺患未來問題，如防腐、電化學(xué)、檢修等問題。關(guān)于此問題還要詳細(xì)探討。

　　保溫層：

　　階段：主要采用巖棉、復(fù)合硅酸鹽氈與聚氨酯泡沫復(fù)合。工程事故教訓(xùn)說明上述兩種材料存在兩大問題，一是遇潮板結(jié)變形，二是支撐力不夠，特別較大管徑保溫管，很容易被埋土壓扁破壞，現(xiàn)在已基本不再用。

　　第二階段：采用微孔硅酸鈣瓦與聚氨酯泡沫復(fù)合。由于硅酸鈣瓦之間有縫隙，當(dāng)管道運(yùn)行后容易裂縫，造成局部熱流外泄，破壞有機(jī)保溫層和保護(hù)層，雖然采取了一些措施，但仍未能保證熱流不外泄問題。

　　第三階段：多極化，“百花爭艷”，硅酸鈣、高密度玻璃棉管殼、硅珠復(fù)合材料等，現(xiàn)在正在通過實(shí)踐檢驗。

　　2.2.3、通過上面敘述，說明蒸汽管道結(jié)構(gòu)型式在摸索過程中，廣大供熱科技人員和開發(fā)商，確實(shí)注入了大量心血，但是，究竟哪一種結(jié)構(gòu)型式為*呢？筆者認(rèn)為，目前還不是肯定哪一種結(jié)構(gòu)型式為*的時候。應(yīng)當(dāng)根據(jù)我國具體國情，繼續(xù)深入研究、實(shí)踐、總結(jié)?，F(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)所正組織部分科技人員編寫。文件中蒸汽管道技術(shù)條件，只提出要求，并沒有肯定結(jié)構(gòu)型式。這很好，給今后深入研究、開發(fā)留有空間，是實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

　　我國地域廣闊，氣候、水文、地質(zhì)條件差異很大，不能簡單地像國外一些國家采用一種模式。筆者通過近二年對南方、沿海、西部等地區(qū)調(diào)研認(rèn)為，我國發(fā)展蒸汽管道直埋敷設(shè)技術(shù)，在考慮我國經(jīng)濟(jì)條件情況下，應(yīng)因地制宜。例如南方主要矛盾是防水問題，沿海地區(qū)不僅有防水問題，更關(guān)鍵是防止氯、硫氧化物腐蝕問題，而西部地區(qū)突出土壤熱阻問題。

　　沿海地區(qū)采用鋼套鋼型式，外護(hù)層防腐解決困難，而采用按“標(biāo)準(zhǔn)”制造的玻璃鋼外護(hù)層既能防水更能防腐，而城市主要街道地區(qū)敷設(shè)的管道和由電廠通過野外向城區(qū)輸送蒸汽的管道又不宜同等對待。前者要求嚴(yán)格些，后者則可簡易些。西部地區(qū)干旱，地下水位低，解決的主要矛盾是土壤熱阻值等問題，因此，保溫層采用廉價的材料，例如硅珠復(fù)合材料(硅珠與粉煤灰復(fù)合)。而外護(hù)層也不一定采用價高的鋼外護(hù)層，所以，不同地區(qū)當(dāng)選用蒸汽保溫結(jié)構(gòu)時，一定要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂?、水文、地質(zhì)、經(jīng)濟(jì)以及介質(zhì)溫度高低、管徑大小等，全面、認(rèn)真地進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較，論證后確定方案，不能盲目草率仿照其它地區(qū)。

　　2.3、對“外滑動鋼套鋼”結(jié)構(gòu)型式的探討

　　目前，國內(nèi)采用的“外滑動式鋼套鋼”結(jié)構(gòu)型式(鋼地溝)基本上是仿照國外直埋蒸汽管道型式，供熱行業(yè)為了實(shí)現(xiàn)“跨躍發(fā)展”，需要引進(jìn)*技術(shù)。但應(yīng)該認(rèn)真學(xué)習(xí)、吸收、消化后再“為我所用”，而不能簡單地根據(jù)國外產(chǎn)品商業(yè)廣告說明書，“看圖識字”、“照貓畫虎”。筆者通過與國外公司交流和國內(nèi)采用外滑動式鋼套鋼直埋蒸汽管道工程調(diào)研發(fā)現(xiàn)，下列幾個問題共同探討。

　蒸汽地埋管設(shè)計開發(fā)中幾個關(guān)鍵技術(shù)的思考與探討

　2.3.1、外套鋼管的防腐問題：國外對外套鋼管防腐極為重視，要求嚴(yán)格，他們對鋼套管內(nèi)外側(cè)防腐都有措施。歐洲如德國，鋼套管外側(cè)是采用涂刷防腐材料后再纏HDPE，耐擊強(qiáng)度要求達(dá)到20000V以上(BULUC公司21000V)，內(nèi)側(cè)面則采用抽成真空(設(shè)真空泵房保持)，衰減腐蝕條件；美國則是在鋼套管外側(cè)面噴涂20～30mm厚聚氨脂絕緣層后再噴涂2mm左右玻璃纖維樹脂(玻璃鋼)，類似我國采用玻璃鋼做外護(hù)層的熱水預(yù)制保溫管，內(nèi)側(cè)面是采用抽真空或噴涂刷陶瓷防腐材料，外側(cè)防腐層耐擊穿強(qiáng)度也要求達(dá)到20000V以上。國內(nèi)目前鋼套管外側(cè)面只采用涂刷富鋅、環(huán)氧煤瀝青防腐涂料，據(jù)測試耐擊穿能力只有5000V左右，鋼套管內(nèi)側(cè)面防腐一般就不考慮了，而鋼套管內(nèi)側(cè)面由于處于高濕熱條件下，又有空氣，會加速鋼套管內(nèi)側(cè)面的腐蝕速度。國內(nèi)目前有個別廠家已經(jīng)注意到上述問題。對鋼套管外側(cè)面已開始采用類似美國的方法，但鋼套管內(nèi)側(cè)面尚未加強(qiáng)防腐措施。因此，目前國內(nèi)對鋼套管的防腐措施，特別是在高水位地區(qū)，能否保證鋼套管達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)界定的蒸汽管道壽命大于20年，尚需我們拿出有利的科學(xué)依據(jù)。應(yīng)提醒：埋入地下的蒸汽管道三年五載不出問題，并不等于20年沒問題！因此，建議國內(nèi)同行應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)研究，拿出既適合國情，又保證外套鋼管壽命的科研成果。

　　2.3.2、鋼套管橢圓化變形帶來的麻煩和解決方法，根據(jù)材料力學(xué)理論，常規(guī)壁厚的鋼管當(dāng)直徑超700mm，會因橢圓效應(yīng)產(chǎn)生橢圓變形，使得力學(xué)計算復(fù)雜化。當(dāng)介質(zhì)溫度超過300℃，一般DN>400mm的工作管，鋼套管直徑就有可能超過700mm，鋼套管橢圓變形就會產(chǎn)生。埋地鋼套管橢圓化變形主要與兩個因素有關(guān)：A、鋼套管上面作用的垂直荷載，包括隨埋深增加而加大的土壤荷載和隨埋深增大而減小的車輛等活荷載；B、鋼管的截面參數(shù)，在相同的垂直荷載作用下，鋼管半徑越大，橢圓化變形越大，管壁越厚，橢圓化變形越小。

　　鋼套管橢圓化變形，如超過一定限值，會造成局部失穩(wěn)破壞，即使沒有達(dá)到失穩(wěn)破壞程度，如果預(yù)留縫隙與計算變形不符，滑動支架變形、卡腿、斷腿必定會發(fā)生，造成管道系統(tǒng)破壞。

　　為了控制因橢圓化變形造成管道破壞，在進(jìn)行外滑動鋼套結(jié)構(gòu)型式設(shè)計、生產(chǎn)時，應(yīng)按有關(guān)規(guī)范，認(rèn)真計算，將橢圓化變形率控制在3%以內(nèi)，同時，滑動支架與鋼管內(nèi)壁間隙應(yīng)與之適應(yīng)。關(guān)于計算方法及公式，將另文介紹。