有关蒸汽管道直埋敷设技术的设计要点

于 欢

(沈阳铝镁设计研究院有限公司， 辽宁 沈阳 110001)

0 前言

传统蒸汽管道的敷设方式多采用架空、地沟等方式，近年来随着集中供热项目的发展、科技水平的不断发展，以及对整体环境要求的提高，传统蒸汽管道的敷设方式已经不能很好地满足当今工程的需要，越来越多的工程开始应用蒸汽直埋敷设方式。与传统的敷设方式相比，直埋敷设技术具有占地面积少、对城市容貌影响小、施工进度快、热损耗少、使用寿命长等优点[1]。

在通化某生物制药产业园集中供热项目中，产业园区内的蒸汽管道输送方式采用直埋敷设。蒸汽管道设计压力为1.25 MPa，设计温度为194 ℃，公称直径为DN350mm，管道长度约为1.5 km。经过一年多的运行，能够充分满足用户的要求，使用状况良好，同时保证了产业园的整体环境整洁。为今后更好地开展相关设计工作，本文就直埋蒸汽管道设计工作中的几个设计要点进行简要介绍。

1 直埋蒸汽管道设计的基本原则

与直埋热水管道相比，直埋蒸汽管道中的蒸汽介质温度高、压力大，因此二者的设计方法不同。在直埋蒸汽管道的设计中，不能像直埋热水管道那样出现锚固段(该管段锚固不动)。当出现锚固段时，该段管道的轴向应力会大于钢材的许用应力，此时管道会产生破坏。因此设计中需考虑如何释放掉管道所有热应力，以保证管道的安全运行。

因此，直埋蒸汽管道设计时需充分考虑地下环境因素，并结合自身介质情况，选取适宜的、具有合理性能和技术要求的保温材料和防腐层材料；同时设计中还应考虑到地表水与地下水对其的影响，做好保温防水密封工作。

2 直埋蒸汽管道设计的基本要点

2.1 管道布置与敷设

直埋蒸汽管道的工作管，应采用有补偿的敷设方式，如图1所示。与架空敷设的热补偿形式基本相同，直埋蒸汽管道可采用外压波纹补偿器，补偿器与直管段连接处的两侧外护钢管应采用同心异径管连接，异径管尺寸根据补偿器外径确定，但应保证补偿器处保温层厚度不小于直管段保温层厚度。

图1 直埋蒸汽管道的补偿器示意图

另外，当管道由直埋敷设转至架空敷设时，外护管应一起引出地面至少0.5 m以上，并应设防雨帽，直埋管道与架空管道的保温做法以防雨帽为界限。直埋蒸汽管道的敷设坡度不宜小于0.002，坡度方向宜与气流方向一致，并坡向疏水装置。

2.2 管路附件的设置

2.2.1 阀门的选择及安装

1)直埋蒸汽管道所选阀门宜选取密封性好的阀门，同时必须进行保温，也要做好防水、防腐处理，保证直埋蒸汽管道的正常运行。

2)考虑到管网运行时的安全性与可靠性，所选阀门公称压力应比管道设计压力高一个等级[2]。

管理制度的落后，管理部门的不健全，在这双重的缺失之下，管理者对自己的管理职责不清楚，互相推诿。这就会直接导致一个问题，几个部门会下发多个管理政策和文件，重复的文件会让工作的效率大大减弱，也让改革的步伐很难加快。

3)为防止水和潮气进入保温层内，阀门端部应采取防水密封措施。

4)带有关断阀门的工作管，当其直径≥300 mm时，应设置旁通阀门。

2.2.2 排潮管

排潮管是蒸汽管道直埋敷设技术中的重要部分之一。由于管道的保温层可能会含有潮气，为了排出保温层中的潮气，维护管网安全运行，应设置排潮管保证保温材料的导热系数达到设计值。同时在管网的运行过程中，如果工作管发生泄漏或者外护管不严密而进水，使保温层受潮，排潮管会向外排汽，此时通过排潮管的排汽量可大致判断泄漏点的位置[3]，及时排除故障。

为保证排潮管不会因外护管与土壤间的相对位移较大而导致损坏，排潮管应设置在外护管轴向位移量较小处。排潮管外部应设置外护钢套管，焊接时应保证焊接质量。地下部分的排潮管和外护管应采取合适的防腐措施，地上部分的排潮管出口应保证不会造成地面水或雨水倒灌。排潮管的位置宜设置在不影响汽车通行和行人的地方，并应设有明显的标志。蒸汽直埋管道排潮管安装示意图如图2所示。

图2 排潮管安装示意图

2.2.3 疏水装置

为了保证整个管系安全、稳定运行，蒸汽管道的疏水装置应合理布置。在工作管与外护管相对位移较小处宜设置疏水装置。若输送介质为过热蒸汽时，只设置启动疏水装置；若输送介质为饱和蒸汽时，还应设置集水罐。工作管中的疏水经疏水管接至集水罐，再由罐体上的疏水管送至疏水井室。当工作管公称直径小于DN100 mm时，罐体直径应与工作管相同；当工作管公称直径大于或等于DN100 mm时，罐体直径不应小于工作管直径的1/2，且不应小于100 mm[4]。

在管网运行时，疏水管温度很高，若无补偿易出现局部应力过大的情况，造成疏水管损坏。因此疏水管布置应采用自然补偿，以吸收管网运行时产生的热膨胀。为了方便操作和维修人员的安全，疏水井室宜采用主副井布置方式，主井为阀门井，副井为集水井，关断阀门或阀组、疏水口应分别设置在两个井室内，如图3所示。

图3 疏水装置

2.3 保温结构

2.3.1 保温材料的选择

蒸汽直埋管道选取的保温材料不应对管道及管路附件产生腐蚀。由于保温材料抗压强度过低，破损率就高，边角缝隙增多，因此硬质保温材料抗压强度不得小于0.4 MPa,抗折强度不应小于0.2 MPa。选取的保温材料允许使用温度至少应比工作管内的蒸汽温度高100 ℃。

2.3.2 保温层厚度的设计

结合经济指标、能源损耗和对敷设沿途设施的影响，选择合适的保温管外表面温度，计算保温层厚度时外护管外表面温度应≤50 ℃。为了保证保温材料的使用寿命，当采用复合保温结构时，保温层间的界面温度应小于外层保温材料安全使用温度的0.8倍。在校核散热损失和界面温度合格后，再确定保温层厚度。

2.3.3 保温结构的设计

蒸汽直埋管道保温结构形式分为内滑动型和外滑动型，在通化某生物制药产业园集中供热项目中采用外滑动保温结构，其保温层采用离心玻璃棉和双层铝箔反射层，如图4所示。

图4 外滑动保温结构示意图

2.3.3.1 内滑动保温结构

由于工作管受热膨胀，工作管与保温层之间会产生相对的轴向位移，需要在保温层与外护钢套管之间设置支座，支座固定在保温层上，仅起到支撑和导向作用。为了减少热桥现象的影响，内置滑动支座与工作管、外护管之间应采用导热系数低、耐老化、强度高的绝热材料。由于工作管与保温层之间的轴向位移，内滑动保温结构形式应选用具备一定的高密度、抗压性和耐磨性的硬质保温材料，同时为了保护保温层不被磨损破坏，工作管与保温层之间应设置耐温、耐磨的保护垫层。

2.3.3.2 外滑动保温结构

由于保温层随着工作管受热膨胀而拉伸变形，保温层与外护钢套管之间会产生相对的轴向位移，需要在工作管与外护钢套管之间设置支座，支座固定在工作管上，除了起到支撑和导向作用外，还确保工作管、保温层相对外护管可以实现轴向滑动。为了防止保温层与外护管之间产生对流换热，保温结构中空气层厚度不能过大。外滑动保温结构形式应选用具备一定的低密度、柔韧性和延展性的软质保温材料。滑动支座与工作管间采用的隔热材料的耐老化性能应满足管道的使用寿命要求，强度也应满足设计要求。

2.4 外护管的防腐设计

蒸汽直埋管道的外护管主要承受的是运输、施工运行过程中的外部荷载，为避免发生过大变形，所选择的外护管应能承受动荷载、静荷载及热应力，同时应具有密封、防水、耐温、防腐性能。外护管的外防腐应按重腐蚀环境设计，同时防腐层与钢管表面应有良好的粘附性、电绝缘性、低吸水性和低水蒸气穿透性，而且应进行电火花检漏，检测电压应根据防腐层种类和防腐等级确定，以不打火花为合格。

1)湿附着力。是指经防腐的试件在90 ℃的蒸馏水中浸泡15天后其结合力为一级，或当使用温度不超过60 ℃时粘结强度不低于60 MPa。

2)耐温性。是指在高温环境中，防腐层在土壤环境中能够长期保持原有性能，选用的防腐层的长期耐温应≥70 ℃。

3)阴极剥离率。阴极剥离率越低，表明在腐蚀环境中阴极电流对防腐层破损处破损的扩展越难。

4)电绝缘性通常可用击穿电压来表征。

5)机械性能。是指结合力、弯曲性、抗冲击、抗划痕及抗植物根茎穿透等。设计中选择防腐层时，应结合项目现场的实际情况，考虑运输时的冲击损伤、搬运时的磨损、运行过程中的穿透等因素的影响，保证防腐层具有一定的机械性能。

直埋蒸汽管道防腐的覆盖层不可能是无缺陷的理想状态。在实际土壤中，覆盖层上存在的极少数的针孔或破损，会形成大阴极(覆盖层完整部分)和小阳极(因针孔或破损而裸露金属部分)的腐蚀电池，会造成管道的局部(针孔或破损而裸露金属部分)腐蚀加速，可能会造成局部穿孔。因此外护管在防腐的同时需要采用阴极保护措施。

3 结束语

经过多年的发展，蒸汽管道直埋敷设技术已日趋成熟，应用越来越广泛。工程设计人员应在遵守相关规范、标准的前提下，严谨合理地开展工程设计，继续通过研究实践进一步改进和完善该技术，更好地推进该技术发展，为相关工程的成功实施提供可靠的前提和保证。