高土壤热阻地区供热管道直埋敷设的保温问题

1、高土壤热阻地区供热管道直埋敷设的保温问题陈鸿恩莫理京主题词土壤热阻供热管道保温提要本文分析了土壤热阻对直埋供热管道的影响，提出了解决高土壤热阻地区直理保温问题的见解。国内外的经验证明，热电联产供热是把发电同生态环境保护相结合的经济的供热方式，因而有了迅猛的发展。在我国，集中供热被列为环保项目，现正方兴未艾。供热管网是供热的重要环节，管道的敷设方式势必引起供热界的重视。多年来传统采用的架空及地沟敷设方式，由于受美化城镇的要求和城市用地紧张的限制，加之供热管网敷设前地下已布满了各类管线，常常难以实施。直埋敷设具有占地小，施工周期短，散热损失小等优点，因此倍受人们推崇。对热水管道，直埋已成为主要敷设

2、方式；对蒸汽管道，直埋敷设也得到了较快的发展。供热管道直埋，其传热过程受到土壤热阻的影响，由于土壤热阻远大于架空敷设管道的环境热阻，所以，它既有利于减少供热管道的散热损失，又对管道周围温度场分布带来明显影响，使保温管外壁温度和复合保温结构保温层间界面温度明显升高，从而给保温结构设计带来一定难度。近年来，直埋管道多在沿海或地下水位较高的地区发展。由于土壤导热系数较大，加上埋深较浅，土壤热阻的影响不那么明显，随着西部干旱地区集中供热的发展，将面临到高土壤热阻对直埋供热管道的热影响问题。为提请供热界及设计人员对这一问题的重视，本文就高土壤热阻对直埋供热管道的热影响及保温设计应注意的问题提出探讨，但愿

3、起到抛砖引玉的作用。1.影响土壤热阻的主要因素当直埋管道的管中心埋深H小于4倍保温管外径时，土壤热阻可用下式计算：(1)当直埋管道的管中心埋深H等于大于4倍保温管外径时，(1)式可以简化为：(2)式中：Rs土壤热阻(m2.K/W)s土壤导热系数H管中心埋深(m)D保温管外径(m)从中可以看到，影响土壤热阻的因素有土壤导热系数、埋深和保温管外径。土壤热阻与其导热系数成反比，与管道埋设深度和保温管外径之比(或称当量埋深)成增函数关系。图1是当管道当量埋深H/D=3时，土壤导热系数和土壤热阻的关系曲线，可见，随导热系数的降低，土壤热阻增大，尤其当土壤导热系数小于1W/(m.K)时，增大更为显著。图1

4、土壤导热系数对土壤热阻的影响图2是当量埋深H/D与Rs的关系曲线，可见，对于一定管径的管道，随埋深增加，土壤热阻增大，对于低导热系数的土壤，其热阻随管道埋深增大尤为显著。图2管道埋深对土壤热阻的影响表1列举了一些导热系数小于1W/(m.K)的砂、土，这是我们供热管道直埋可能遇到的。对于这类土壤，在设计直埋供热管道时，必须考虑土壤热阻对管道传热和界面温度的影响。表1一些低导热系数的砂、土土壤名称质量含水率()导热系数(W/m.K)砂、土50.435砂、土100.979亚粘土50.616砂质粘土100.842灰土壤8.50.630黄土00.630戈壁土00.439石英砂00.630沙漠超细砂00.

5、2242.土壤热阻对直埋供热管道散热的影响我们知道对于直埋供热管道，其传热过程受到保温热阻和环境土壤热阻的共同影响，按照热阻串联原理，其散热损失计算可用下式表示：(3)式中：q散热损失(W/m)to工作管外壁温度()ts地表温度()Rb保温层热阻(m2.K/W)当环境热阻较小时(例如架空管道，环境热阻约占总热阻的45)，对管道的热损失影响不大，也就是说管道的保温效果主要取决于保温热阻，而直埋管道的环境土壤热阻较大，当土壤导热系数为0.6W/(m.K)时，土壤热阻约占直埋热水管道总热阻的3349，因此，它对热损失的影响是很大的。以150高温水直埋管为例，土壤导热系数对管道散热损失的影响如图3曲线

6、所示。聚氨酯泡沫塑料保温层厚度=50mm，管中心埋深H=1.5m，土壤导热系数s=0.6、1.2、1.8W/(m.K)。从曲线1、2、3的比较可见，在同保温厚度的条件下，土壤导热系数越小，热损失越少。曲线4是保温管道处于地面架空条件的热损失情况，不难看出，由于大气热阻远小于土壤热阻，架空管道的热损失比直埋要大得多。图3土壤导热系数对管道散热损失的影响因此，管道直埋对节能是十分有利的，由于直埋管道的热损失小于架空管道，在进行保温设计时，不能简单引用国家标准GB/T427292规定的最大允许热损失数值，因为该标准是针对地面设备及管道做的规定。3.土壤热阻对直埋供热管道界面温度的影响影响管道外表面温

7、度的因素有：保温热阻，土壤热阻，介质温度，和地表温度。低土壤导热系数地区，由于土壤热阻较高，引起直埋管道周围的温度场分布升高。为了使供热管道长期安全运行，必须保证保温材料和保护层处的温度低于其安全使用温度。3.1对热水直埋保温管的影响直埋保温管外表面温度，或称保温管与周围土壤的界面温度可用下式表示：(4)式中：tW保温管与土壤界面温度()可见，就某一具体工程而言，管道外表面温度和土壤热阻占总热阻之比成线性关系，随着土壤热阻的增大，管道外表面温度将显著升高；当土壤热阻占总热阻之比一定时，它和介质温度、地表温度均成线性关系；土壤热阻占总热阻之比愈大，介质温度对其影响愈显著。图4以120和150的高

8、温水管为例，描绘了土壤导热系数为0.6W/(m.K)和1.2W/(m.K)时，不同管径管道的保温管外表面温度曲线。每组曲线的其他条件为：聚氨酯泡沫塑料保温层厚度=50mm；管中心埋深H=1.5m；地温ts=12。图4土壤导热系数对保温管外表面温度的影响从曲线的比较可见，土壤导热系数对界面温度的影响是很大的，当s=0.6W/(m.K)时，150高温水直埋管外壁温度达6080；120热水管，当管径大于Dg500mm时，也将超过60。如采用高密度聚乙稀做外套管，这是很不利的。为了降低保温管外表面温度，使其处于保护层长期安全使用温度范围内，对低土壤导热系数地区可采取以下措施：(1)增大保温层厚度；(2

9、)减少当量埋深H/D，即实施浅埋；(3)降低介质温度。3.2对蒸汽直埋管道的影响近年来蒸汽管道直埋敷设正在兴起，无疑这是一种进步。但由于介质温度高，对土壤热阻的影响尤应引起重视。目前蒸汽直埋管道一般采用无机有机两层保温结构形式，在高土壤热阻地区，不仅保温管与土壤界面温度将会更高，而且会导致两保温层间界面温度超过有机层的安全使用温度。保温管与土壤界面温度可用下式表示：(5)式中：R1无机层热阻(m2.K/W) R2有机层热阻(m2.K/W)无机层与有机层的界面温度可以表示为：(6)式中：ti无机层与有机层界面温度()综合分析可见，保温管外表面温度tw与土壤热阻占总热阻之比成线性关系，保温层间温度

10、与有机层热阻及土壤热阻之和占总热阻之比亦成线性关系，它们均随土壤热阻的增大而升高，增大有机层的厚度，虽可以降低保温管外表面温度，但将会导致保温层间界面温度升高。因此控制两个界面温度的方法有：(1)增大无机层的厚度；(2)尽量减少有机层的厚度，此厚度由于受工艺条件限制，一般为25mm30mm；(3)降低介质温度；(4)实施浅埋，减少土壤热阻。图5展示的曲线是土壤热阻与直埋蒸汽管道外表面温度的关系。图6展示的曲线是保温层间界面温度与土壤热阻的关系。其它条件是：介质温度to=270，微孔硅酸钙厚度1=100mm，聚氨酯厚度2=30mm，管道直径分别为DN400、DN600，地表温度ts=10、16。

11、图5土壤热阻对直埋蒸汽管道外表面温度的影响图6土壤热阻对直埋蒸汽管道保温界面温度的影响可见，随土壤热阻的增大，管道外表面温度和保温界面温度均显著增高。当土壤热阻Rs0.3m2K/W时，管道外表面温度，直径DN400的将接近或超过60；直径DN600的将超过65；保温界面温度，直径DN400的将接近或超过127；直径DN600的将超过138.5。显然，外表面温度也受到地温的影响，地温高，外表面温度也升高。因此，在进行保温设计时，应以运行期间当地最高地温来校验保温管的界面温度。4.保温问题鉴于土壤热阻(或说土壤导热系数)对直埋供热管道的传热过程有明显的影响，在高土壤热阻或土壤导热系数较低的地区，进

12、行保温设计必须高度重视这种影响。4.1热水管道直埋如前所述，高土壤热阻造成保温管与土壤的界面温度升高。因此，在土壤导热系数小于等于0.8W/m.K的地区，进行保温计算应以这一界面温度为控制指标，核定保温厚度，而不能千篇一律地采用一种厚度，尤其对于大口径管道，更宜适当加厚保温厚度，以保证保温管外壁温度低于塑料外套管的安全使用温度。值得一提的是管道埋深对土壤热阻有明显影响，为避免界面温度过高，实施浅埋是十分有利的。目前国内大量采用高密度聚乙稀套管，其安全使用温度有主张小于等于50，也有主张小于等于60，笔者认为选用聚乙稀套管要根据当地的地质、气象条件和介质温度情况，如采用高性能的管道专用聚乙稀，控

13、制小于等于60安全运行是有保证的。计算结果表明，当土壤导热系数s0.6W/(m.K)，管中心埋深H1.5m、地温ts12时，采用目前标准(包括芬兰、丹麦等国标准)推荐的保温厚度，在工作管径大于DN600mm时，150热水保温管的外表面温度将超过60，最高时达69.5。实践经验证明，保温厚度满足了界面温度要求，管道的散热损失指标定能满足标准要求。4.2蒸汽管道直埋蒸汽管道直埋保温的界面温度控制，对于高土壤热阻地区尤显重要，而为达到较低的界面温度，往往需要保温厚度很大。 以无机有机复合保温管为例，如果把无机保温层和有机保温层的界面温度控制在小于等于130；把保温套管与土壤的界面温度控制在小于等于6

14、0，则随土壤导热系数的不同，所需的保温厚度有很大的差别。图7列举了对某地蒸汽管道直埋保温的分析结果，管道输送蒸汽温度to=270，管道中心平均埋深H=1.5m，年平均地温ts=14。为满足两个界面130和60的指标，计算了在不同土壤导热系数条件下，所需的无机保温层、有机保温层厚度。对于不同管径需要的总保温厚度如图所示。图7保温厚度与土壤导热系数的关系比较可见，随土壤导热系数的降低，保温厚度要加厚，在土壤导热系数s=0.6W/(m.K)时，需要的保温厚度为s=1.5W/(m.K)时的一倍以上。厚度加大一倍，但管道的散热损失仅减少3845，显然在经济上是不合算的。为了适应高土壤热阻地区蒸汽管道直埋

15、的需要，应开发应用耐温更高的保温材料和外护材料。计算分析结果表明，在相同的土壤和运行工况下，如果把保温材料的使用温度提高到300，把外护套管的使用温度提高到90，且把管中心埋深提到H=1.2m左右，在土壤导热系数0.6W/(m.K)的地区，把上述的总保温厚度减少一半是可能的。此外，高土壤热阻地区多属地下水位较低的地区，水患对直埋管的危害较少，这样保温结构可以简化一些，总体保温投资可降到比较合理的水平。综合来看，在高土壤热阻地区，实施蒸汽管道直埋也是有良好的发展前景的。蒸汽管道直埋保温计算的控制指标也是界面温度，尤其高土壤热阻地区，必须验算保温层间和外套管的界面温度，使之满足材料安全使用温度的要求以及直埋管道周边设施或绿化草、木的温度要求。否则，有可能引起不良后果。5.结论及建议根据以上分析，笔者认为在高土壤热阻地区进行供热管道直埋，应注意以下问题：(1)对热水管道直埋，应把保温管外表面温度作为控制指标；对复合