論直埋蒸汽管道的設(shè)計(jì)論直埋蒸汽管道的設(shè)計(jì)

目前在我國，直埋蒸汽管道技術(shù)已越來越多地得到應(yīng)用，盡管如此，該項(xiàng)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(jì)，通過調(diào)研及工程實(shí)踐，對(duì)直埋蒸汽管道技術(shù)有了逐步深入的認(rèn)識(shí)。

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(shí)，將其結(jié)構(gòu)類型劃分為兩大類：一類是滑動(dòng)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(dòng)界面在管道滑動(dòng)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(xiàng)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(shí)踐單就這一類型的直埋蒸汽管道的工程設(shè)計(jì)談一談筆者的認(rèn)識(shí)、體會(huì)。

1、直埋蒸汽管道設(shè)計(jì)的基本原則：

1.1、直埋蒸汽管道與直埋熱水管道的設(shè)計(jì)方法有著根本的區(qū)別

1.1.1、因管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)不同而造成的區(qū)別：

直埋蒸汽管道所輸送的均為高溫蒸汽介質(zhì)，因其溫度高，所以設(shè)計(jì)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(dāng)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(dāng)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)最高溫度(℃);

t2-管道工作循環(huán)最低溫度(℃);

σt-管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力(MPa)

［σ］-鋼材在計(jì)算溫度下的基本許用應(yīng)力(MPa)。

按照上式，若循環(huán)最低溫度按停運(yùn)時(shí)的10℃計(jì)算，則管道循環(huán)最高溫度t1允許達(dá)到150℃，而按照我市第一熱電廠所供蒸汽溫度-296℃計(jì)算，顯然不能滿足上式。

因此，直埋蒸汽管道的設(shè)計(jì)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(jì)必須使整個(gè)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(jì)算溫差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱水管道的計(jì)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(bǔ)償器補(bǔ)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：

眾所周知，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最高為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，僅此一點(diǎn)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(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2、直埋蒸汽管道的設(shè)計(jì)思路：

綜上所述直埋蒸汽管道不能采用直埋熱水管道的設(shè)計(jì)方法，因此我們對(duì)直埋蒸汽管道設(shè)計(jì)的基本構(gòu)思借鑒了地溝與架空管道的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)又特別明確了它與地溝或架空管道的設(shè)計(jì)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(duì)管道熱膨脹及管道補(bǔ)償方式的影響及限制。此外，地溝及架空管道兩固定點(diǎn)之間的最大長度是由管道失穩(wěn)條件決定的，它與管徑的大小及補(bǔ)償器的補(bǔ)償能力有關(guān)，而直埋蒸汽管道兩固定點(diǎn)之間的最大長度在受補(bǔ)償器補(bǔ)償能力的限制的同時(shí)也受管道保溫結(jié)構(gòu)的約束。例如，由于保溫結(jié)構(gòu)對(duì)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(shí)際路由走向選擇不同形式的補(bǔ)償器，直埋蒸汽管道的補(bǔ)償器只能采用軸向型的，自然補(bǔ)償管段也只能設(shè)計(jì)得較短。而直埋蒸汽管道的強(qiáng)度驗(yàn)算和地溝或架空敷設(shè)的設(shè)計(jì)方法是一致的，即采用彈性分析的方法，工程實(shí)踐證明這種設(shè)計(jì)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(jì)的關(guān)鍵：

當(dāng)我們做一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)時(shí)，首先要根據(jù)工程的實(shí)際情況合理選擇復(fù)合保溫管，確認(rèn)它的保溫結(jié)構(gòu)、材料及其性能能滿足設(shè)計(jì)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。

直埋蒸汽管道對(duì)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(qiáng)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(jī)械強(qiáng)度；外保護(hù)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(dòng)管道在工作時(shí)因溫度的變化會(huì)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(huì)有軸向位移和徑向位稱同時(shí)產(chǎn)生。為了保證管系熱應(yīng)力的充分釋放同時(shí)減小管道對(duì)固定墩的推力，要求管道與保溫層之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)要低?，F(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(dāng)彎頭處采取自然補(bǔ)償?shù)姆绞綍r(shí)，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(chǎng)的要求

由于直埋蒸汽管道的介質(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(huì)造成保溫管道的保溫層、外防護(hù)層的破壞，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)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，其最高適用溫度是140℃，如果該界面溫度超過140℃并長期運(yùn)行，就會(huì)造成聚氨脂碳化、強(qiáng)度減弱、保溫失效。

此外，管道外表面溫度升高時(shí)，對(duì)其混凝土固定墩、管道周圍的電纜、上、下水管等都會(huì)造成影響甚至破壞。

因此設(shè)計(jì)直埋蒸汽管道時(shí)，一定要對(duì)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(yùn)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(yùn)行時(shí)經(jīng)管內(nèi)蒸汽加熱就會(huì)形成蒸汽，如不及時(shí)迅速地排除出去，就會(huì)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(hù)層

目前，國內(nèi)使用的復(fù)合預(yù)制保溫管的外保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)，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(bǔ)償器與管道的接口處，這些接口如處理不好，運(yùn)行過程中地下水就會(huì)滲入管道保溫層并形成蒸汽，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)全線報(bào)廢；鋼外套雖然嚴(yán)密但工程造價(jià)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(shí)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?cè)谶M(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)工程的具體情況進(jìn)行分析比較，確定使用哪種外防護(hù)套，并根據(jù)外防護(hù)套的材料提出對(duì)管件結(jié)構(gòu)的要求。

3、直埋蒸汽管道工程的設(shè)計(jì)：

在上述設(shè)計(jì)基本原則的構(gòu)思指導(dǎo)下，管系的整體設(shè)計(jì)過程是在管網(wǎng)水力計(jì)算、強(qiáng)度驗(yàn)算后，根據(jù)管網(wǎng)的路由走向，結(jié)合工程的實(shí)際狀況和特定的外界條件，合理地設(shè)置管道的熱補(bǔ)償及所有管件。

3.1、將管網(wǎng)合理地劃分成若干個(gè)封閉的保溫管段

因?yàn)閺?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(yùn)行時(shí)一但某一點(diǎn)發(fā)生蒸汽管道泄漏或外防護(hù)層破損外漏，則熱媒蒸汽或地下水受熱汽化就會(huì)通過管道與保溫層之間的這一“通道”遍布整個(gè)管網(wǎng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使整個(gè)管網(wǎng)遭受損失。將管網(wǎng)分成若干個(gè)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(diǎn)。因此我們?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體條件，將每一對(duì)固定墩之間及主干線與支線之間都設(shè)計(jì)成封閉的保溫管段。

3.2、管網(wǎng)熱補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)：

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(bǔ)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(bǔ)償器都布置在固定支架旁以防止其軸向失穩(wěn)，但筆者認(rèn)為，這種布置方法對(duì)波紋補(bǔ)償器的每個(gè)波節(jié)吸收位移的工作受力傳遞不均，發(fā)揮的補(bǔ)償能力不充分。我們認(rèn)為解決補(bǔ)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(bǔ)償器自身的性能和質(zhì)量。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，一定要選擇自導(dǎo)向性能好、抗失穩(wěn)能力強(qiáng)的補(bǔ)償器；而對(duì)于補(bǔ)償器的布置則要根據(jù)工程的實(shí)際情況靈活運(yùn)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(bǔ)償要求。但要注意，補(bǔ)償器不要布置在彎頭或折點(diǎn)旁。實(shí)踐證明這種設(shè)計(jì)方法是可靠的。

補(bǔ)償器的保溫結(jié)構(gòu)一定要滿足強(qiáng)度及溫度控制要求，同時(shí)，補(bǔ)償器的保溫結(jié)構(gòu)應(yīng)不影響補(bǔ)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(diǎn)

由于蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷不穩(wěn)定，甚至經(jīng)常會(huì)有零負(fù)荷狀態(tài)，在這一時(shí)間段內(nèi)管網(wǎng)的凝結(jié)水很多，如不及時(shí)排出就會(huì)發(fā)生水擊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)管網(wǎng)造成破壞。因此，合理設(shè)置疏水點(diǎn)是管網(wǎng)安全運(yùn)行的保證。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)對(duì)疏水點(diǎn)的布置考慮了以下幾點(diǎn)：(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(jì)，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(diǎn)疏水；當(dāng)逆流疏水時(shí)，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(yùn)行時(shí)存在反復(fù)熱位移，會(huì)對(duì)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?cè)O(shè)計(jì)時(shí)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(yùn)行維護(hù)安全，操作方便，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中，完全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(gè)疏水點(diǎn)均設(shè)自動(dòng)疏水器和啟動(dòng)疏放水旁路閥，并在設(shè)計(jì)說明中對(duì)啟動(dòng)運(yùn)行的疏放水操作提出明確要求。實(shí)際運(yùn)行證明這種疏水方式是安全可靠的。

3.4合理地設(shè)計(jì)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?yàn)橥寥赖膶?dǎo)熱系數(shù)不僅與土壤的種類、化學(xué)成分、含水量有關(guān)，還與土壤的埋設(shè)深度有關(guān)，實(shí)驗(yàn)證明，隨著埋深的增加，土壤的導(dǎo)熱系數(shù)降低，因此，管道埋得過深會(huì)使管道的外表面溫度升高。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，在保證管道不被地上荷載破壞，即滿足強(qiáng)度要求的前提下，應(yīng)盡量淺埋，筆者認(rèn)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(jì)及鋼外套管的應(yīng)力計(jì)算：

直埋蒸汽管道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。但直埋蒸汽管道的固定節(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(hù)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(jì)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(duì)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土建設(shè)計(jì)要采用耐熱混凝土。

對(duì)于鋼外套的預(yù)制復(fù)合保溫管，設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮鋼外套管的應(yīng)力分布。直埋蒸汽管道的外表面設(shè)計(jì)溫度一般是50℃，按照直埋熱水管道的設(shè)計(jì)原理，這一溫度對(duì)直管段產(chǎn)生的熱應(yīng)力完全不必進(jìn)行驗(yàn)算，但對(duì)于彎頭、折點(diǎn)、三通等應(yīng)力集中點(diǎn)就需要進(jìn)行安定性分析及驗(yàn)算。筆者在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)鋼外套管系是按照直埋熱水管道的設(shè)計(jì)方法來處理的。

對(duì)固定墩的推力計(jì)算，除應(yīng)考慮固定墩兩側(cè)管道補(bǔ)償器的彈性反力、不平衡內(nèi)壓力及管道的摩擦力外，對(duì)鋼外套的預(yù)制復(fù)合保溫管還應(yīng)考慮鋼外套管對(duì)固定墩的推力。例如，按照外表面溫度最高50℃計(jì)算，當(dāng)工作鋼管直徑為DN350、外保護(hù)套管直徑力DN700時(shí)，采用鋼外套管的固定墩的推力比塑套管的固定墩推力最大可提高10倍。雖然采用在鋼外套管上設(shè)補(bǔ)償器的方法可以減小固定墩的推力，但由于外補(bǔ)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(duì)固定墩的設(shè)計(jì)我們利用相對(duì)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(duì)于工作鋼管視為固定參照物，其內(nèi)固定節(jié)強(qiáng)度結(jié)構(gòu)只考慮工作鋼管的推力Fj即可。對(duì)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(dòng)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(jià)。

3.6、管件的設(shè)置：

3.6.1、彎頭

起自然補(bǔ)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?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)中，應(yīng)就自然補(bǔ)償管段的熱補(bǔ)償量問題同保溫管生產(chǎn)廠家交換意見并達(dá)成一致，以使彎頭處的保溫結(jié)構(gòu)既能夠最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?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)中，每段封閉的保溫管段之間均設(shè)一至二個(gè)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(jìn)入管道的保溫層。

3.6.3、三通、大小頭、閥門等的設(shè)置：

對(duì)于容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的管件，我們