高温蒸汽直埋敷设管道的保温设计

1、高温蒸汽直埋敷设管道的保温设计（河北省电力勘测设计研究院，河北石家庄050031）     摘  要:文章分析了高温蒸汽直埋敷设管道应采用有补偿安装方式的原因，重点介绍了保温材料的选择及保温层结构设计的相关内容，供工程设计参考。    关键词：高温；直埋；保温    随着国民经济的发展和环保要求的不断提高，热电联产集中供热因其效率高、环境污染小而得到广泛应用。供热管道的直埋敷设又由于其占地面积小、不影响市容景观和城市规划、建材用量和土建费用少、热损耗低等优点，在集中供热领域引起各规划、建设部门和

2、工程界的广泛重视和应用。热水管道的直埋敷设技术在我国已得到广泛应用；但是高温（>150 ）蒸汽管道的直埋敷设技术在国内还处于起步探索阶段。1管道安装方式的选用    直埋敷设的供热管道根据管系是否安装补偿器，可分为有补偿安装和无补偿安装，选择时主要根据管道中热媒温度的高低。由于蒸汽管道温度大多超过150 ，热伸长量、热胀应力、盲板力较大，采用无补偿安装方式，已不能满足管系的热膨胀性能及管材应力的安全性要求。按照城镇直埋供热管道工程技术规程（CJJ/T 81-98）的要求，直埋热力管道的直管段的当量应力变化范围应满足式(1)：   

3、;  j=(1-)t -E(t2-t1)3(1)式中j当量应力变化范围，MPa        钢材的泊松系数         钢材的线性膨胀系数，m/m·         E钢材的弹性模量         t1管道工作循环最高温度，   &

4、#160;     t2管道工作循环最低温度，        t管道内压引起的环向应力，MPa       钢材的基本许用应力，MPa    按照式(1)，若循环最低温度按停运时的10 计算，则管道工作循环最高温度t1允许达到150 ,而大多直埋蒸汽管道的温度大于150 ,如河北省电力勘测设计研究院设计的正定热网工程的设计参数为：设计压力 1.27 MPa，设计温度350 ，其直埋不能像直埋热水管

5、道一样允许有锚固段的存在，其设计中必须考虑整个管系热应力释放措施，即采用分离式的保温结构和在管系上安装补偿器，允许管道产生热位移。    国内多例工程蒸汽直埋敷设都采用了有补偿的安装方式，投产后运行状况良好，如：河南开封经济开发区供热工程(设计压力 0.6 MPa，设计温度265 ）;石家庄经济技术开发区蒸汽管道直埋集中供热工程(设计压力0.98 MPa，设计温度280 ）;武汉东湖开发区热电公司集中供热工程(设计压力1.6 MPa，设计温度320 ），临沂市集中供热工程（部分区段）(设计压力1.0MPa，设计温度300 ），滦南热网工程(设计压力1.27 MPa

6、，设计温度300 ）。因此，在实际高温蒸汽直埋工程中应采用有补偿的安装方式，以确保管系的安全和稳定运行。2保温层结构的设计21保温材料的选用    高温蒸汽管道的直埋敷设对保温材料及结构都。提出了较高要求。在实际工程设计中，应根据不同条件（如介质温度、运行工况、地下水位、土壤特性等）进行认真比较。据了解，高温直埋敷设蒸汽管道事故起因多是保温问题。如果保温材料不耐水煮沸，进入保温层的水在被蒸汽加热到沸腾状态后，将沿管道迅速蔓延，造成无机保温层材料热软化和有机保温层材料聚氨酯破孔软化，从而引起大范围保温材料破坏，导热系数急剧增大，严重时地面会出现冒汽现象。由此可见，保

7、温材料的耐煮沸及防水性能对高温蒸汽管道直埋敷设的安全性和可靠性有很大影响，是保证蒸汽管道安全工作的关键问题之一。直埋敷设的热水管道常用的保温材料聚氨酯（使用温度t120 ）和脲酸脂（使用温度t150 ）及沥青珍珠岩等材料都不能直接使用在直埋蒸汽管道上。实践证明，普通的直埋保温材料（如硅酸铝纤维毡、岩棉、膨胀珍珠岩、普通的微孔硅酸钙制品等）是不耐热水及沸水的，有的遇水板结，有的浸水松散。另外，聚氨酯泡沫塑料在55 左右的热水中即破孔软化，减少或失去保温能力。所以，在蒸汽管道直埋工程的保温材料选择时应注意选择耐煮沸及防水性能好的材料。关于此类材料目前国内有多种产品，如采用新工艺生产的防水型硅酸钙瓦

8、和高密度无碱玻璃棉，再如河南某公司的耐煮沸不吸水硅酸镁机制品，而耐煮沸不吸水改性的聚氨酯泡沫塑料在多个工程的应用效果也都比较理想。其每km温降在10%左右，管沟地表温度接近环境温度，地面作物、植物生长正常。22保温层结构      由于高温直埋敷设的蒸汽管道所产生的热伸长量大，保温材料（如耐高温的聚氨酯）无法承受，所以管道热胀冷缩保温结构在土壤压力下固定不动时，管道应能在保温层内自由移动，以释放热应力，保证管系的安全性，即工作钢管与保温材料外壳不像热水直埋管道一样是一个整体，而形成脱开式的管中管结构，一般在无机隔热层与钢管之间也要铺设一层耐高温润滑剂，以

9、减少摩擦力。    为了保证高温蒸汽直埋管道的安全运行，其保温结构通常采用保温复合结构。内滑动的保温复合结构从里到外依次为：工作钢管、高温防锈层、无机润滑层、空气层、无机隔热层、高温金属反射层、有机保温层、防水防腐外护层，在这种复合保温结构中，耐高温的无机隔热层将其表面温度限制在外层有机保温材料允许的安全温度以下（<150 ），无机润滑层和空气层减少了钢管在热胀冷缩时的摩擦力，防水防腐的外护层通常是耐腐蚀、耐压强度高的玻璃钢或钢套管。图1为外滑动式的保温结构，从里到外依次为：工作钢管、高温防锈层、无机保温层、空气层、防水防腐外护层。防水防腐的外护层通常是钢套

10、管。    2.3保温层的排潮管设计    高温蒸汽直埋管道复合保温层结构的排潮管设计好坏，直接影响到保温层内潮气的排出，进而影响保温效果。高温蒸汽直埋管道复合保温层的制做应在工厂内完成，现场只进行接头的处理。尽管在制做过程中，对保温材料等要进行烘干，但是由于在制做、运输、堆放等过程中，都可能造成外部水分进入保温结构内部，因此合理的设置排潮管，在暖管排潮期间保证内保温层中的潮汽迅速排尽是直埋管道可靠运行的一个必要措施。排潮管的直径范围通常为2050 mm，可视工作的管径和排潮管设置的间距（通常在3050 mm左右）确定。排潮管在工作管

11、道上的位置应设置在管道位移最小处（固定支架附近），否则应采取有效措施防止其热位移时破坏保温层结构，排潮管的引出位置可引至专设的小井内或地面上。引至地面上时应防止影响交通或潮汽烫伤行人，同时还应考虑排潮管的防灌（雨）水措施。    排潮管与工作管的相对关系有3种：在图2(a)中排潮管末端和工作钢管直接焊接，较为简洁；图2(b)中排潮管绕工作钢管一圈焊接，其效果较好；图2(c)中排潮管沿工作钢管伸一定的长度焊接。3种关系的共同点是在保温层内部的排潮管壁上均匀开孔，让潮汽排出。3 3种外护层的比较     目前，在国内高温蒸汽直埋敷设管道上

12、应用的外护层主要有3种形式：钢套管外护、玻璃钢外护及高密度聚氯乙烯管外护。由于高密度聚氯乙烯管耐温度较低，对温度十分敏感，其强度随温度变化较大，线性膨胀系数也大，随温度变化会造成自身开裂，使整个保温层防水失效，因此，不宜应用在高温蒸汽直埋敷设管道上，但在热水直埋供热管道上应用较为普遍。      在高温蒸汽直埋敷设管道上应用较多的外护层为钢套管外护和玻璃钢外护。二者的主要区别在于前者在外滑动的保温结构（保温层与工作钢管一起相对于外护钢管做同步位移，工作钢管承受的摩擦力基本上不受土壤压力的影响）应用较多；后者在内滑动保温结构（工作钢管相对于保护层和保温材料

13、发生位移，工作钢管承受的摩擦力要受到土壤压力的影响）中应用较多。    钢套管外护层存在的问题有：        a. 防腐问题。通常钢套管外护层采用环氧煤沥青刷漆，由于与土壤之间反复摩擦，不久就会失去防腐能力，造成外护钢管的腐蚀。        b. 管系中所有的管件（弯头、三通、补偿器等）及固定支架全部装在钢套管中，并与工作钢管焊接在一起，同时外护管也存在大量焊口需要焊接，由于是双层钢管结构，无法顺利进行X射线探伤检查。&

14、#160; c. 钢套管外护层每24 m做一夹环支撑，支撑处保温材料导热系数将明显高于其它地方，这样，沿着管道就会形成数量很大的热桥泄漏点，同时大量热量传到外钢管上，也加剧其腐蚀速度，减少管系的使用寿命。        d. 钢套管外护层本身存在热补偿和温度应力问题，同时钢外套在其温度变化过程中将加大管系中固定支架的受力。        e. 钢套管外护层结构及其防腐措施将提高工程造价。    相反，玻璃钢外护层型结构就不存在

15、上述问题。但是由于玻璃钢外护层没有标准规定，一些生产厂家粗制滥造。建设部已组织有关部门制定玻璃钢外护管标准。标准发布后，将能够规范厂家，提高产品质量。另外，采用玻璃钢外护层还有现场接口条件差、质量难以保证的问题。    因此，可根据工程的实际需要，选择适当的保温层结构；但在防腐措施未过关的情况下，建议优先选用玻璃钢外护层型结构。4各节点端面的保温防水设计      根据以往经验，直埋管道保温大多是从各节点端面开始出现问题的，所以各节点端面的保温防水设计在保温设计中占有突出的位置。常说的节点端面包括工作钢管与工作钢管、工作钢管

16、与各管件（三通、弯头、大小头）、工作钢管与补偿器的现场对接及排潮管的连接等。高温蒸汽直埋敷设管道的保温结构无论采用何种型式，都应在工厂中制做完成。在管道两端留有200300 mm的不保温管段，管道焊接之后接头在现场进行处理，其处理方法与热水直埋管道现场接头相同，主要有：保温接头套管法、热收缩套管法、袋形套管法、接口模塑发泡法等。具体制做及技术要求可参考热水直埋管道的一些规程规定，但是其保温层结构和材料必须同工作钢管一致。5蒸汽直埋敷设管道的报警系统    蒸汽直埋管道敷设在地下，在实际工作中很难了解管道及其保温层结构的运行状况。为了及时发现问题，防止问题的扩大，在保温结构中设置报警系统是