高温蒸汽直埋管设计技术综述

沈禹 刘俊松 刘炳南

机械工业第五设计研究院国际所

高温蒸汽直埋管设计技术综述

沈禹 刘俊松 刘炳南

机械工业第五设计研究院国际所

本文对国内外150℃以上高温蒸汽管道直埋敷设技术的发展作了综述，文中对管道应力计算作了较为系统的说明，对蒸汽管道直埋技术发展值得注意的几个问题进行阐述，最后介绍了桑莱特（天津）节能材料有限公司的蒸汽直埋技术和相关数据。

蒸汽；直埋管；设计技术

前言

城镇供热管道直埋敷设方式与传统的地沟敷设方式相比，具有占地少、施工周期短、便于维护管理和寿命长等诸多优点，很适合城市建设的要求，在我国已得到广泛应用。150℃以下供热热水管道直埋敷设技术，自上世纪80年代在我国推广，现已臻成熟。本世纪初150℃以上高温蒸汽管道直埋敷设技术，随着国民经济发展，在技术研究、引进消化吸收、工程实践等方面也获得很大发展。据不完全统计，国内东起大连、上海，西至新疆乌鲁木齐、克拉玛依油田，北起牡丹江、哈尔滨，南至四川绵阳、广东广州等地已有大量直埋蒸汽管道在运行，其规模（长度、管径、保温形式）已进入世界先进行列，取得十分宝贵的经验。但是，现在国家还未能为高温蒸汽直埋管道制定出一套完整的设计、施工及验收的技术规范，这显然与国内高速发展的经济建设很不适应。

蒸汽管道直埋技术发展值得注意的几个问题：

蒸汽管道直埋技术是一项涉及热力学、材料力学、岩土力学、流体力学以及有机材料、无机材料、防腐、电化学等多学科的系统工程，而且投入生产是动态运行，所以蒸汽管道直埋敷设与热水管道直埋敷设相比较，技术复杂得多，如有处理不当，就会立即或即将造成工程事故，隐患性很大。现就文献反映的主要问题归纳如下。

1.关于保温结构计算

1.1 蒸汽管道直埋敷设与架空、地沟敷设传热状态不同，架空敷设是向无限空间传热，地沟敷设是热介质通过保温材料、流动空气层、沟壁等以不同传热方式向周围土壤传热，而直埋敷设，简化讲热介质是向周围土壤按一维稳定传热，土壤可视为保温结构一部分。以目前国内常用的内滑动式复合结构直埋蒸汽管道为例，计算过程中首先应划定三个界面温度（见图1）。

图1

无机保温材料与有机保温材料接触处可视为第一界面，外保护层与土壤接触处视为第二界面，地表与空气接触面视为第三界面。计算时应先控制三个界面温度，第一界面温度控制在有机材料耐温能力以下；第二界面温度应控制保护层的防腐、防水及机械性能不遭受大幅度衰减或破坏；第三界面温度则控制不会因界面温度升高而使得管道周围土壤热阻值提高，从而造成第一、二界面温度升高破坏保温结构。在保温结构计算过程中，应校核当地极高、极低环境温度的影响，必要时应适当调整保温结构各层保温材料的厚度，以确保保温结构安全。而应根据国家在节能50%基础上要求热网输送效率达到90%以上的规定，且结合用户实际要求确定经济合理的管道热损失，作为保温层厚度的依据。

1.2 保温计算中，对土壤、保温材料的导热系数选取不能草率，这两个系数的选取正确与否，往往影响保温效果和管道运行安全性。

土壤的导热系数在0.55～2.5w／m·k之间，数值取值范围很大，其大小与土壤种类、含水量大小、化学成分、埋设条件等多种因素有关。在工程设计时应坚持实测当地土壤导热系数或求助当地地质部门提供资料，认真确定土壤导热系数值。

对各种保温材料的导热系数，不能简单以厂家提供的单体数值为准，而应搞清楚该数值是在何种温度，何种条件，哪一级检测部门测定的，是否有导热系数方程式，然后尽量参照行业标准确定的导热方程式来选取、确定导热系数。

2.保温结构选择应因地制宜

由于蒸汽管道介质温度高，保温结构不可能做成像直埋热水管道那样“三位一体”，需要做成“脱开式”，即工作钢管与保温层或外护层脱开，因此合理选择保温结构，异常重要。

2.1 国外基本是用钢管式外护层

德国、美国采用外滑动式，即绑缚着保温材料的工作钢管在钢外护层内滑动。只有意大利萨克索姆公司是采用工作钢管在保温层内滑动，即内滑动式。实事求是讲，国外对于蒸汽直埋管道技术基础理论研究及实验并不深入，只是由于他们国家的经济条件、技术条件等优越，制造工艺精细，外防腐技术指标高，施工要求严格，所以工程质量有保障，但工程造价也较高。

2.2 我国对于蒸汽管道直埋技术的研究与开发，是摸索前进的，保温结构形式的发展，大致分为三个阶段。

外护层：

第一阶段：采用“塑套钢”形式，即外护层采用高密度聚乙烯，工程实践发现，聚乙烯耐温能力太差，当局部热流外泄，很容易造成外护层蠕变、鼓胀破坏，聚乙烯做外护层不适用于蒸汽管道，目前已成为共识。

第二阶段：采用玻璃钢作为外护层，耐温能力大大高于聚乙烯，加工工艺由于是采用缠挠式，与采用聚乙烯管作保护层需要穿管相比，可以克服偏心，质量有保证。但由于对玻璃钢制造工艺机理了解不透，采用了简陋方式，同时，玻璃钢外护层标准当时还没有颁布，制造的玻璃钢外护层质量低下，运输、安装过程不规范，出现局部开裂破坏，动摇了采用玻璃外护层的信心。

第三阶段：依照国外采用钢外护层，即“钢管地沟”形式。由于国情所限，完全依照国外，使用单位经济难以承受，制造企业只能简易从事，但它的“优势”是前二年、三年不易发现问题，于制造商保一个运行周期有利，所以目前采用这种形式较多。这种形式的可靠性究竟如何？应该去分析研究，诸如结构力学、防腐、防潮、维护检修等问题，尚需深入探讨。

保温层：

第一阶段：主要采用岩棉、复合硅酸盐毡与聚氨酯泡沫复合。工程事故教训说明上述两种材料存在两大问题，一是遇潮板结变形.二是支撑力不够，特别较大管径保温管，很容易被埋土压扁破坏，现在已基本不再用。

第二阶段：采用微孔硅酸钙瓦与聚氨酯泡沫复合。由于硅酸钙瓦之间有缝隙，当管道运行后容易形成裂缝，造成局部热流外溢，破坏有机保温层和保护层，虽然采取了一些措施，但仍未能解决热流不外溢问题。

第三阶段：采用硅酸钙、高密度玻璃棉管壳、硅珠复合材料等，现在正在通过实践检验。

2.3 通过上面叙述，说明直埋蒸汽管道结构仍在摸索过程中，广大供热科技人员和开发商，确实注入了大量心血，但是，究竟哪一种结构为最优呢？目前还没有定论，因此尚应根据我国国情，继续深入研究、实践、总结。现在标准所正组织人员编写有关文件，文件中对蒸汽管道技术条件，只提出要求，并没肯定结构，给今后深入研究、开发留有空间。

我国地域广阔，气候、水文、地质条件差异很大，不能简单地推广采用统一的模式，发展蒸汽管道直埋敷设技术，在考虑国家经济条件情况下，应因地制宜。

3.对“外滑动钢套钢”结构的探讨

3.1 外套钢管的防腐问题：国外对外套钢管防腐极为重视，要求严格，他们对钢套管内外侧防腐都有措施。欧洲，如德国，外套钢管外侧是采用涂刷防腐材料后缠HDPE，耐电击穿强度要求达到2000OV以上(UBLUC公司2l0OOV)，管内则要求抽成真空(设真空泵房)，衰减腐蚀条件；美国则是在外套钢管外侧面喷涂20～30mm厚聚氰脂绝缘层后再喷涂2mm左右玻璃纤维树脂(玻璃钢)，类似我国采用玻璃钢做外护层的热水预制保温管，内侧面是采用抽真空或喷涂陶瓷防腐材料，外侧防腐层电击穿强度也要求达到20000V以上。国内目前钢套管外侧面只采用涂刷富锌、环氧煤沥青防腐涂料，据测试耐电击穿能力只有5000V左右，钢套管内侧面防腐一般就不考虑了，而钢套管内侧面由于处于高湿热条件下，又有空气，会加速钢套管内侧面的腐蚀。国内目前有个别厂家已经注意到上述问题。对钢套管外侧面己开始采用类似美国的方法，但钢套管内侧面尚未加强钢套管防腐措施，因此，目前国内对钢套管的防腐，特别是在高水位地区，能否保证钢套管达到标准界定的蒸汽管道寿命大于20年.尚需拿出有利的科学依据。

3.2 钢套管椭圆化变形带来的问题和解决方法。根据材料力学理论，常规壁厚的钢管当直径超过700mm.会因椭圆效应产生椭圆变形.使得力学计算复杂化。当介质温度超过300℃，一般DN>400mm的工作管，钢套管直径就有可能超过700mm，钢套管椭圆变形就会产生。埋地钢套管椭圆化变形主要与两个因素有关：A、钢套管上面作用的垂直荷载，包括随埋深增加而加大的土壤荷载和随埋深增大而减小的车辆等活荷载；B、钢管的截面参数，在相同的垂直荷载作用下，钢管半径越大，椭圆化变形越大。管壁越厚，椭圆化变形越小。

钢套管椭圆化变形.如超过一定限值，会造成局部失稳破坏，即使没有达到失稳破坏程度，如果预留缝隙与计算变形不符，滑动支架变形、卡腿、断腿必定会发生，造成管道系统破坏。

为了控制因椭圆化变形造成管道破坏，在进行外滑动钢套管结构设计、生产时，应按有关规范，认真计算。将椭圆化变形率控制在3%以内，同时，滑动支架与钢管内壁间隙应与之适应。

3.3 国外对保温材料如何长期包缚在工作钢管上，是有着严格技术措施的，他们采用特殊的防腐蚀钢材带包缚保温材料，间距也有具体要求。如果简单地用细铅丝或塑料带包缚保温材料，在高湿热条件下，经过一段时间的铅丝锈断，塑料带老化，造成保温材料脱落，保温结构破坏。

3.4 内工作钢管保温层外表面与钢套管内壁的间距尺寸并不随意，而是将这个空间作为辐射传热的隔热层，空间不能产生气流流动。国外是抽真空达到防止气流产生，国内由于条件所限，采用抽真空措施.暂时还难以实现。但预留的空气层厚度不能随意，一般不大于20mm，以防止空气对流产生，提高隔热效果。

3.5 某些节点处理也存在不安全性和检修难。如将波纹补偿器安装在外钢套管内，一旦破坏，如何确定位置、如何检修均无明确、成熟的方法，其它像管内固定支架、疏水装置等同样存在上述问题。

4.关于内固定支架

由于蒸汽管道热伸长量大，为了保证管道有效地实现热胀冷缩，需要设置固定支架。（见图2）如果还是按外固定设置方法，由于蒸汽管道温度高，补偿段短，固定墩设置多，尺寸大，这样一是增大工程量，二是造成施工难度。现将两个技术问题予以简要说明。

图2

4.1 计算理论依据：根据弹性力学理论，内固定支架是采用薄壁小圆环理论进行计算，这种计算方法的边界条件要求内外钢环必须紧密结合，受力均匀，但施工过程中很难达到要求，如果采取沿管道周边分几片组成不连续圆环，更不可能达到边界条件要求。所以需要进一步研究、探讨可以满足计算边界要求的施工技术措施，否则运行后会产生不安全因素。

4.2 为了防止冷桥作用，热流外泄，内固定支架的内外环间一般采用石棉橡胶垫隔热。这样做有两个问题需要考虑。

（1）石棉橡胶热老化问题。一般蒸汽管道寿命界定大于20年，石棉橡胶垫肯定达不到，一旦石棉橡胶垫老化、粉化，不仅隔热目的达不到，而且造成结构破坏，影响管道安全运行。

（2）根据石棉橡胶垫导热系数计算，每l0mm只能隔热26℃左右，如果介质温度高，又要控制外套钢管的表面温度，则石棉橡胶垫需要很厚，难以实现。

5.固定墩微量变形与力衰减

即使采用了固定支架方法，一个管网总是有的地方还要采用外固定支架，例如拐弯处、出士端等。由于蒸汽管道产生的热应力高，特别是大管径管道产生的推力数以百吨计，如果按固定墩没有微量位移进行结构计算。大管径固定墩的尺寸会非常大，甚至无法实施。土壤不是刚性体.埋在土内的固定墩，在推力作用下，事实上是会产生微量变形的，如果主观不承认这个客观事实，是不科学的。建议采用允许固定墩微量位移的方法设计固定墩，以达到推力大幅度衰减的目的，这一观点已逐步被国内外接受。

6. 桑莱特公司蒸汽管道直埋技术简介

桑莱特(天津)节能材料有限公司与“德国FW-远程输送技术股份有限公司”合作，在国内最新引进、开发了“钢套钢-外滑动(滚动型)-抽真空保温结构”。该结构采用抽真空设备，定期将内外钢套管间环状空间的湿空气抽出，并形成一定的负压。这种抽气系统可以减少外套钢管内层壁面的热、湿腐蚀，提高保温管道的使用寿命；同时，内外钢套管间的真空层几乎杜绝了空气层存在的热传导和热对流，极大地降低了热损失，使直埋管道的整体保温性能大幅度提高。与采用同等结构形式未抽真空的该公司同类产品相比，在同等保温厚度下，可以降低外壁温度8～13℃。由于克服了外套管内壁腐蚀，产品寿命可达30年。

[1]中华人民共和国行业标准.城镇供热管网设计规范 （CJJ34-2010）

[2]中华人民共和国行业标准.城镇直埋供热管道工程技术规程 （CJJ/T81-98）

[3]机械工业第五设计研究院国际所.直埋敷设热力管道技术资料,2006年6月

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.074