1、高溫蒸汽直埋敷設管道的保溫設計（河北省電力勘測設計研究院，河北石家莊050031）     摘  要:文章分析了高溫蒸汽直埋敷設管道應采用有補償安裝方式的原因，重點介紹了保溫材料的選擇及保溫層結構設計的相關內容，供工程設計參考。    關鍵詞：高溫；直埋；保溫    隨著國民經濟的發展和環保要求的不斷提高，熱電聯產集中供熱因其效率高、環境污染小而得到廣泛應用。供熱管道的直埋敷設又由于其占地面積小、不影響市容景觀和城市規劃、建材用量和土建費用少、熱損耗低等優點，在集中供熱領域引起各規劃、建設部門和

2、工程界的廣泛重視和應用。熱水管道的直埋敷設技術在我國已得到廣泛應用；但是高溫（>150 ）蒸汽管道的直埋敷設技術在國內還處于起步探索階段。1管道安裝方式的選用    直埋敷設的供熱管道根據管系是否安裝補償器，可分為有補償安裝和無補償安裝，選擇時主要根據管道中熱媒溫度的高低。由于蒸汽管道溫度大多超過150 ，熱伸長量、熱脹應力、盲板力較大，采用無補償安裝方式，已不能滿足管系的熱膨脹性能及管材應力的安全性要求。按照城鎮直埋供熱管道工程技術規程（CJJ/T 81-98）的要求，直埋熱力管道的直管段的當量應力變化范圍應滿足式(1)：   

3、;  j=(1-)t -E(t2-t1)3(1)式中j當量應力變化范圍，MPa        鋼材的泊松系數         鋼材的線性膨脹系數，m/m·         E鋼材的彈性模量         t1管道工作循環最高溫度，   &

4、#160;     t2管道工作循環最低溫度，        t管道內壓引起的環向應力，MPa       鋼材的基本許用應力，MPa    按照式(1)，若循環最低溫度按停運時的10 計算，則管道工作循環最高溫度t1允許達到150 ,而大多直埋蒸汽管道的溫度大于150 ,如河北省電力勘測設計研究院設計的正定熱網工程的設計參數為：設計壓力 1.27 MPa，設計溫度350 ，其直埋不能像直埋熱水管

5、道一樣允許有錨固段的存在，其設計中必須考慮整個管系熱應力釋放措施，即采用分離式的保溫結構和在管系上安裝補償器，允許管道產生熱位移。    國內多例工程蒸汽直埋敷設都采用了有補償的安裝方式，投產后運行狀況良好，如：河南開封經濟開發區供熱工程(設計壓力 0.6 MPa，設計溫度265 ）;石家莊經濟技術開發區蒸汽管道直埋集中供熱工程(設計壓力0.98 MPa，設計溫度280 ）;武漢東湖開發區熱電公司集中供熱工程(設計壓力1.6 MPa，設計溫度320 ），臨沂市集中供熱工程（部分區段）(設計壓力1.0MPa，設計溫度300 ），灤南熱網工程(設計壓力1.27 MPa

6、，設計溫度300 ）。因此，在實際高溫蒸汽直埋工程中應采用有補償的安裝方式，以確保管系的安全和穩定運行。2保溫層結構的設計21保溫材料的選用    高溫蒸汽管道的直埋敷設對保溫材料及結構都。提出了較高要求。在實際工程設計中，應根據不同條件（如介質溫度、運行工況、地下水位、土壤特性等）進行認真比較。據了解，高溫直埋敷設蒸汽管道事故起因多是保溫問題。如果保溫材料不耐水煮沸，進入保溫層的水在被蒸汽加熱到沸騰狀態后，將沿管道迅速蔓延，造成無機保溫層材料熱軟化和有機保溫層材料聚氨酯破孔軟化，從而引起大范圍保溫材料破壞，導熱系數急劇增大，嚴重時地面會出現冒汽現象。由此可見，保

7、溫材料的耐煮沸及防水性能對高溫蒸汽管道直埋敷設的安全性和可靠性有很大影響，是保證蒸汽管道安全工作的關鍵問題之一。直埋敷設的熱水管道常用的保溫材料聚氨酯（使用溫度t120 ）和脲酸脂（使用溫度t150 ）及瀝青珍珠巖等材料都不能直接使用在直埋蒸汽管道上。實踐證明，普通的直埋保溫材料（如硅酸鋁纖維氈、巖棉、膨脹珍珠巖、普通的微孔硅酸鈣制品等）是不耐熱水及沸水的，有的遇水板結，有的浸水松散。另外，聚氨酯泡沫塑料在55 左右的熱水中即破孔軟化，減少或失去保溫能力。所以，在蒸汽管道直埋工程的保溫材料選擇時應注意選擇耐煮沸及防水性能好的材料。關于此類材料目前國內有多種產品，如采用新工藝生產的防水型硅酸鈣瓦

8、和高密度無堿玻璃棉，再如河南某公司的耐煮沸不吸水硅酸鎂機制品，而耐煮沸不吸水改性的聚氨酯泡沫塑料在多個工程的應用效果也都比較理想。其每km溫降在10%左右，管溝地表溫度接近環境溫度，地面作物、植物生長正常。22保溫層結構      由于高溫直埋敷設的蒸汽管道所產生的熱伸長量大，保溫材料（如耐高溫的聚氨酯）無法承受，所以管道熱脹冷縮保溫結構在土壤壓力下固定不動時，管道應能在保溫層內自由移動，以釋放熱應力，保證管系的安全性，即工作鋼管與保溫材料外殼不像熱水直埋管道一樣是一個整體，而形成脫開式的管中管結構，一般在無機隔熱層與鋼管之間也要鋪設一層耐高溫潤滑劑，以

9、減少摩擦力。    為了保證高溫蒸汽直埋管道的安全運行，其保溫結構通常采用保溫復合結構。內滑動的保溫復合結構從里到外依次為：工作鋼管、高溫防銹層、無機潤滑層、空氣層、無機隔熱層、高溫金屬反射層、有機保溫層、防水防腐外護層，在這種復合保溫結構中，耐高溫的無機隔熱層將其表面溫度限制在外層有機保溫材料允許的安全溫度以下（<150 ），無機潤滑層和空氣層減少了鋼管在熱脹冷縮時的摩擦力，防水防腐的外護層通常是耐腐蝕、耐壓強度高的玻璃鋼或鋼套管。圖1為外滑動式的保溫結構，從里到外依次為：工作鋼管、高溫防銹層、無機保溫層、空氣層、防水防腐外護層。防水防腐的外護層通常是鋼套

10、管。    2.3保溫層的排潮管設計    高溫蒸汽直埋管道復合保溫層結構的排潮管設計好壞，直接影響到保溫層內潮氣的排出，進而影響保溫效果。高溫蒸汽直埋管道復合保溫層的制做應在工廠內完成，現場只進行接頭的處理。盡管在制做過程中，對保溫材料等要進行烘干，但是由于在制做、運輸、堆放等過程中，都可能造成外部水分進入保溫結構內部，因此合理的設置排潮管，在暖管排潮期間保證內保溫層中的潮汽迅速排盡是直埋管道可靠運行的一個必要措施。排潮管的直徑范圍通常為2050 mm，可視工作的管徑和排潮管設置的間距（通常在3050 mm左右）確定。排潮管在工作管

11、道上的位置應設置在管道位移最小處（固定支架附近），否則應采取有效措施防止其熱位移時破壞保溫層結構，排潮管的引出位置可引至專設的小井內或地面上。引至地面上時應防止影響交通或潮汽燙傷行人，同時還應考慮排潮管的防灌（雨）水措施。    排潮管與工作管的相對關系有3種：在圖2(a)中排潮管末端和工作鋼管直接焊接，較為簡潔；圖2(b)中排潮管繞工作鋼管一圈焊接，其效果較好；圖2(c)中排潮管沿工作鋼管伸一定的長度焊接。3種關系的共同點是在保溫層內部的排潮管壁上均勻開孔，讓潮汽排出。3 3種外護層的比較     目前，在國內高溫蒸汽直埋敷設管道上

12、應用的外護層主要有3種形式：鋼套管外護、玻璃鋼外護及高密度聚氯乙烯管外護。由于高密度聚氯乙烯管耐溫度較低，對溫度十分敏感，其強度隨溫度變化較大，線性膨脹系數也大，隨溫度變化會造成自身開裂，使整個保溫層防水失效，因此，不宜應用在高溫蒸汽直埋敷設管道上，但在熱水直埋供熱管道上應用較為普遍。      在高溫蒸汽直埋敷設管道上應用較多的外護層為鋼套管外護和玻璃鋼外護。二者的主要區別在于前者在外滑動的保溫結構（保溫層與工作鋼管一起相對于外護鋼管做同步位移，工作鋼管承受的摩擦力基本上不受土壤壓力的影響）應用較多；后者在內滑動保溫結構（工作鋼管相對于保護層和保溫材料

13、發生位移，工作鋼管承受的摩擦力要受到土壤壓力的影響）中應用較多。    鋼套管外護層存在的問題有：        a. 防腐問題。通常鋼套管外護層采用環氧煤瀝青刷漆，由于與土壤之間反復摩擦，不久就會失去防腐能力，造成外護鋼管的腐蝕。        b. 管系中所有的管件（彎頭、三通、補償器等）及固定支架全部裝在鋼套管中，并與工作鋼管焊接在一起，同時外護管也存在大量焊口需要焊接，由于是雙層鋼管結構，無法順利進行X射線探傷檢查。&

14、#160; c. 鋼套管外護層每24 m做一夾環支撐，支撐處保溫材料導熱系數將明顯高于其它地方，這樣，沿著管道就會形成數量很大的熱橋泄漏點，同時大量熱量傳到外鋼管上，也加劇其腐蝕速度，減少管系的使用壽命。        d. 鋼套管外護層本身存在熱補償和溫度應力問題，同時鋼外套在其溫度變化過程中將加大管系中固定支架的受力。        e. 鋼套管外護層結構及其防腐措施將提高工程造價。    相反，玻璃鋼外護層型結構就不存在

15、上述問題。但是由于玻璃鋼外護層沒有標準規定，一些生產廠家粗制濫造。建設部已組織有關部門制定玻璃鋼外護管標準。標準發布后，將能夠規范廠家，提高產品質量。另外，采用玻璃鋼外護層還有現場接口條件差、質量難以保證的問題。    因此，可根據工程的實際需要，選擇適當的保溫層結構；但在防腐措施未過關的情況下，建議優先選用玻璃鋼外護層型結構。4各節點端面的保溫防水設計      根據以往經驗，直埋管道保溫大多是從各節點端面開始出現問題的，所以各節點端面的保溫防水設計在保溫設計中占有突出的位置。常說的節點端面包括工作鋼管與工作鋼管、工作鋼管

16、與各管件（三通、彎頭、大小頭）、工作鋼管與補償器的現場對接及排潮管的連接等。高溫蒸汽直埋敷設管道的保溫結構無論采用何種型式，都應在工廠中制做完成。在管道兩端留有200300 mm的不保溫管段，管道焊接之后接頭在現場進行處理，其處理方法與熱水直埋管道現場接頭相同，主要有：保溫接頭套管法、熱收縮套管法、袋形套管法、接口模塑發泡法等。具體制做及技術要求可參考熱水直埋管道的一些規程規定，但是其保溫層結構和材料必須同工作鋼管一致。5蒸汽直埋敷設管道的報警系統    蒸汽直埋管道敷設在地下，在實際工作中很難了解管道及其保溫層結構的運行狀況。為了及時發現問題，防止問題的擴大，在保溫結構中設置報警系統是