浅谈供热管网设计及其防腐

1、浅谈供热管网设计及其防腐            浅谈供热管网设计及其防腐吕玉坤,吕维润(华北电力大学能源与动力工程学院,河北保定071003)摘要:介绍了供热管网热负荷的分类、布置、敷设方式和热补偿;阐述了热水供热管网的腐蚀机理;分析了影响热水供热管网腐蚀的主要因素及防腐措施。    关键词:供热管网;设计;腐蚀;防腐措施中图分类号:文献标志码:B文章编号: 1009-3230(2011)01-0035-050前言随着我国经济

2、快速地发展,人们对生活质量的要求也在不断提高,从而使集中供热得到迅速地发展。集中供热是指以热水或蒸汽作为热媒,利用一个或多个热源通过供热管网、热交换站等,向一个城市或城市中较大区域的各热用户提供热能的供热方式。为了保证供热质量和降低建造供热系统的投资,对管网的设计提出了更高的要求,同时对供热热媒为热水的管道腐蚀问题亦应给予足够的重视。    1供热管网热负荷的分类热负荷可分为季节性热负荷和固定常年性热负荷两大类。季节性热负荷包括采暖热负荷、通风热负荷及空调制冷热负荷。采暖通风和空调制冷热负荷是用来保证室内的空气温度或质量的热负荷。固定常年性热负荷包括生活

3、热水供应热负荷和生产工艺热负荷。生活热水供应热负荷是指各类建筑物中日常生活所需要热水的热负荷;生收稿日期: 2010-11-18修订日期: 2010-12-15作者简介:吕玉坤(1964-),男,副教授,主要从事泵与风机节能技术方面研究。    产工艺热负荷是指生产过程中所需要的热负荷。    季节性热负荷在全年变化较大,全日变化较小,它与室外空气温度、空气湿度、风速、风向及太阳辐射等室外气象条件有着密切的联系,其中室外空气温度对其大小起着决定性作用。固定常年性热负荷在全年变化较小,全日变化较大

4、,与外部气候条件关系不大。    2供热管网的布置管网布置原则供热管网布置的基本原则是经济上合理、技术上可靠和对周围环境影响小。具体要求如下1-4:(1)供热管道力求短而直,使消耗的金属量最少,施工工程量最小,降低投资。供热主干线应通过热用户密集区。此外,减少检查井的数量可以降低初投资,所以应合理地布置影响检查井位置、数量、所需的阀门及各种附件。    (2)供热管道应布置在地势平坦、水位低和土质好的地段。尽量避免与主要交通干线、河流以及其他管线的交叉。当管网需要改造或者扩建时,应使新设计的管道能够在不影响原有管道

5、正常运行的基础上安全运行。    (3)供热管道一般应沿道路的一侧敷设。当采用地上敷设时,应保证不影响城市环境及美观。    管网布置方式供热管网的布置与热媒种类、热源及热用户的相互位置有一定的联系5。供热管网的平面布置方式主要有枝状、环状和网格状三种:(1)枝状管网布置枝状管网布置是供热管网布置最常用的方式,其布置方式如图16所示。枝状管网的优点是系统简单、管径随着远离热源而逐渐减小、金属消耗量少、投资少、运行可靠。缺点是供热的后备能力差,即管网某处发生故障时,在故障位置之后的所有热用户的供热都将中断。 

6、;   从热源到热用户处敷设多条供热主干线,并在主干线之间适当敷设连通管,管网正常运行时连通管关闭,此时连通管不起任何作用;而当管网出现故障时,打开连通管,此时故障地点后的热用户仍能正常供热。可见这种方法可以克服枝状管网供热后备能力差的缺点。    图1枝状管网布置(2)环状管网布置环状管网是指供热主干线连成环状,用户管网从环状主干线上接出的供热管网布置方式,如图26所示。其优点是供热后备能力高、运行安全。缺点是投资大、运行管理复杂。    (3)网格状管网布置网格状管网是由很多小型环

7、状管网相互连接在一起的一种供热管网布置方式,如图36所示。    其优点是运行安全可靠。但是这种布置方式的投资很大,并且热网的水力工况和控制十分复杂7。    3供热管网敷设方式供热管网的敷设是指将供热管道及其附件按设计条件组成整体并使之就位的工作1。供热管网敷设方式主要分为地上敷设和地下敷设两大类。    地上敷设地上敷设又称架空敷设,是将供热管道敷设在地面支架或者建筑物外墙上的敷设方式。常用于地下水位高、地形复杂、土壤腐蚀性大或土质为湿陷性黄土,以及地下管道密度大难以敷设

8、供热管道等状况。架空敷设投资少、便于运行管理及检修,是一种较为经济的敷设方式,但是其占地面积和热损失较大,同时还会对城市环境美观产生影响。    架空敷设按照支架的高度不同可以分为低支架敷设、中支架敷设和高支架敷设三种敷设方式。    地下敷设地下敷设不影响城市环境美观和交通,是供热管网最常用的敷设方式。地下敷设可以分为地沟敷设和直埋敷设两类。    3. 2. 1地沟敷设地沟敷设是指供热管道在管沟内敷设的敷设方式。地沟敷设按管沟能否通行分为通行地沟敷设、

9、半通行地沟敷设和不通行地沟敷设三种敷设36应用能源技术2011年第1期(总第157期)方式。    (1)通行地沟敷设当供热管道敷设在不允许挖开路面的道路或者供热管道数量多、管径较大以及和其它管道共沟敷设时常采用通行地沟敷设。    采用通行地沟敷设有利于工作人员的日常维护及检修,能够很好的保护供热管道。但是这种敷设方式由于需要建造地沟,使得施工成本增大,对施工工艺要求也较高,占地面积大。地下水位高的地段对管沟的防水要求更高8。    (2)半通行地沟敷设半通行地沟敷设适用于

10、管道数量较多,但是没有条件采用通行地沟敷设的情况。半通行地沟敷设的优点是可以进行小规模的检修及维护,以及在发生事故时易判断出事故地点、减小大修规模。    (3)不通行地沟敷设当供热管道数量较少且管径小以及管道维修量很小时可以采用不通行地沟敷设。其优点是占地面积小、建造地沟耗费材料少、投资低。但是此种敷设方式在发生事故时难于发现,且检修及维护也不方便。    3. 2. 2直埋敷设直埋敷设是将供热管道直接埋设在土壤里的敷设方式。供热管道直埋结构由供热管道、保温层和保护外壳三部分紧密结合在一起,形

11、成整体式的预制保温管结构,又称“管中管”2。直埋敷设与架空敷设相比不影响城市环境美观且热损失小;直埋敷设与地沟敷设相比,具有占地面积小、施工周期短、维护量小、初投资低、整体式预制保温管严密性好、管道难以腐蚀、使用寿命延长等优点。可见,直埋敷设是一种优越的敷设方式,其在供热管网中的应用将会越来越广泛。    直埋敷设按有无热补偿分为无补偿直埋敷设、一次性补偿直埋敷设和有补偿直埋敷设三类。    无补偿直埋敷设在管道上不需要安装补偿器、活动支架和固定支架等管道附件8。它是在管道焊接完毕后,对管道进行预热,管道受热产生热

12、变形,释放出部分热应力,然后对管道沟槽填土并夯实,利用保温结构与管道周围土壤产生的摩擦力限制供热管网运行时管道因受热而产生的热伸长。    一次性补偿直埋敷设是在管道安装完毕后进行预热,管道受热伸长后将一次性补偿器外壳与管道焊死,使其不能再次伸缩,用管道温度降低后产生的拉应力克服供热管网运行时管道因再次受热而产生的热应力5。    有补偿直埋敷设是在管道上合理的安装补偿器、活动支架和固定支架等管道附件,保证补偿器的补偿量能够满足两个固定墩之间直管道的热伸长量2。采用有补偿直埋敷设的供热管网中常使用的补偿器有套筒补偿

13、器、波纹补偿器和自然补偿器等9。    4供热管网的热补偿补偿器是补偿供热管道受热产生的热伸长进而减小管道由于受热产生的应力,防止管道由于受热产生的热伸长或应力过大使得管道变形或破裂,保证供热管网运行安全可靠的装置。    补偿器根据补偿方式的不同可分为利用补偿器材料的变形来吸收热伸长的自然补偿器、方形补偿器和波纹管补偿器,以及利用管道的位移来吸收热伸长的套筒补偿器和球形补偿器1-3。    (1)自然补偿器自然补偿器是利用供热管道的自然弯曲(如L形或Z形)来补偿管道的热伸长

14、。由于自然补偿器结构简单并可以减少使用其它种类的补偿器,可以减少投资。其缺点是管道变形时会产生横向位移,而且补偿的管段不能很长10。    (2)方形补偿器方形补偿器一般是由无缝钢管煨弯或由弯头组焊而成,利用弯管的变形来补偿热伸长。方形补偿器可用于任何工作压力和温度的管道、制造安装简单、轴向推力小、补偿能力大,并且安全可靠。其缺点是占地面积和热媒流动阻力较大。    (3)波纹管补偿器波纹管补偿器是用单层或多层薄金属管制成的具有轴向波纹的管状补偿设备,利用波纹的变形补偿管道的热伸长2。其具有结构紧凑、体积小、重量轻

15、、占地面积小、不易渗漏和热媒流动阻力小等优点。缺点是制造困难、造价高、补偿量较小以及轴向推力大。    (4)套筒补偿器套筒补偿器是填料密封的套管和外壳管同心组成,一般有单向和双向两种形式,补偿器直接焊接在管道上2。通过滑动套筒对外套筒的滑移运动来补偿管道的热伸长。其补偿能力较大(一般可达250mm400mm11)、占地面积小、造价低、安装方便且热媒流动阻力小。但是其轴向推力大、介质易泄漏、需要经常更换填料、维护工作量较大。    372011年第1期(总第157期)应用能源技术(5)球形补偿器球形补偿器是由球体和

16、外壳组成,利用球形管接头的随机弯转来补偿管道的热伸长1。一般两个配成一组使用。球形补偿器可做三向位移、不存在推力、补偿能力大、占据空间小、变形应力小、适用于架空敷设12。缺点是存在侧向位移、易泄漏。    总之,上述5种补偿器各有其优缺点,适用场合也各不相同。在实际使用中,应根据实际情况具体分析,择优使用,保证供热系统能够安全可靠的运行。    5供热管网的腐蚀金属的腐蚀是指金属在其周围环境介质的作用下,发生化学或电化学反应而导致金属的损耗。    管道腐蚀会降低管道的使用寿

17、命,并需经常检修或更换,否则会导致事故的频繁发生。为减少事故发生的次数和降低维修及更换管道的费用,应该对供热管道采取相应的防腐措施。只有了解了供热管道腐蚀产生的机理及其影响因素,才能够找到防止腐蚀的方法。    腐蚀机理热水供热管网管道的腐蚀均属于电化学腐蚀。供热管道的腐蚀主要方式有:溶解氧腐蚀、二氧化碳腐蚀以及溶解氧和游离二氧化碳的腐蚀。    其中溶解氧腐蚀是最主要的腐蚀方式13。    溶解氧腐蚀的反应过程为14:阳极:FeFe2+2e阴极:O2+2H2O+4e4OH-

18、Fe2+2OH-Fe(OH)24Fe(OH)2+ O2+2H2O4Fe(OH)3由上述反应式可知,由于金属的阳极溶解使得阳极附近的金属离子浓度升高,同时阴极的氢氧根离子浓度增大, pH值升高。由于浓度的差异将引起带电粒子的扩散,这样便在阳极和阴极之间生成了氢氧化亚铁,如果溶解氧的含量很大,氢氧化亚铁会进一步被氧化成难溶的氢氧化铁,从而使腐蚀加剧。    研究表明二氧化碳腐蚀的阳极反应仍然是:FeFe2+2e。而阴极析出氢的过程则是通过两条途径同时进行的:其一是水中的二氧化碳分子与水分子结合形成的碳酸分子电离后产生的氢离子扩散到金属表面

19、放电;其二是水中的二氧化碳分子向金属表面扩散并吸附在金属表面上,随后与水分子结合形成吸附碳酸分子,进而直接还原释放出氢15。    当水中同时含有溶解氧和二氧化碳时,会使得管道的腐蚀更加严重。这是由于此时不仅发生了耗氧腐蚀,还同时发生了二氧化碳腐蚀,并且由于二氧化碳的存在使得水呈酸性,阻碍保护膜的生成,使水与管道直接接触,进而使得腐蚀加剧。    腐蚀的影响因素(1)溶解氧的浓度在发生氧腐蚀时,由于溶解氧参与阴极反应,所以随着溶解氧浓度的增加,腐蚀加剧。    (2)其它溶解

20、气体当水中同时含有溶解氧与二氧化碳时,二氧化碳将促进氧腐蚀,使腐蚀更加剧烈。如果水中不含有氧,但是含有二氧化碳,此时二氧化碳也将腐蚀管道。若水中含有硫化氢(H2S),则由于其降低了水的pH值,也将促进管道的腐蚀16。    (3)水的pH值热网水中含有溶解氧时,当pH值在410范围时,金属表面的氧量决定了腐蚀速度,此时pH值对腐蚀速度的影响不大。当pH值小于4时,由于水呈酸性,主要发生析氢腐蚀,腐蚀速度加剧。当pH值在47范围时,主要发生析氢和吸氧反应,腐蚀较弱。当pH值在710范围时,主要发生氧的去极化和氢氧化亚铁的氧化,腐蚀也较弱17。 &

21、#160;  (4)水的温度在热水供热管网中,随着水温的升高,氧向金属表面的扩散速度提高,使得腐蚀速度加快。    (5)水的流速一般情况下,水的流速提高将导致腐蚀的加剧,这是由于提高水的流速使氧更容易扩散。当水的流速提高到一定程度时,使得金属表面溶解氧的浓度达到钝化的临界浓度,金属出现钝化,腐蚀速度将有所下降15。由于水在流动时会带走腐蚀产物,如果水的流速提高过大,将会导致冲击腐蚀的发生。    (6)盐的浓度水中含盐量的增加,使得电阻降低,导电能力提高,腐蚀速度提高,这种趋势直到盐的浓度提高

22、到使水中溶解氧含量降低时才会改变17。    (7)管道的表面状态管道表面的光滑程度、有无附着物以及有无缝隙等情况都将对腐蚀产生影响。    (8)供热管道的周边环境架空敷设供热管道外部主要受大气腐蚀,同时还要注意湿度的影响。具有腐蚀性的大气包括工38应用能源技术2011年第1期(总第157期)业大气、海洋大气、农村大气和室内大气共4种。    其中工业大气和海洋大气的腐蚀危害最大18。    地沟敷设的供热管道外部腐蚀与地沟内的温度、

23、湿度、排水以及通风等情况有关。还应该防止由于新旧管线间的电位差引起的腐蚀。    直埋敷设的供热管道所处的外部环境是土壤环境。其腐蚀速度与土壤的透气性、电阻率、含水率、含盐量、pH值以及微生物的活动有关。    防腐措施供热管网腐蚀造成的危害是巨大的。它不仅影响供热系统的安全运行,还可能造成人身伤亡或设备损坏,以致严重影响人们的生活和生产,而且也会导致供热管网运行经济性的降低。因此,研究管道的相应防腐措施并实施是必要的。    (1)合理选择耐蚀材料。根据供热管网的设计要求和

24、使用环境来决定选用何种耐蚀材料,同时要兼顾耐蚀性和经济性。如不锈钢的耐蚀性能十分优秀,但其价格昂贵,全线使用投资增加,是不经济的。    (2)投运水处理设备,提高循环水品质。对热网中的水进行处理,包括降低水中溶解氧和二氧化碳等腐蚀性气体的浓度、调整pH值以及降低含盐量等。    (3)控制水温和流速。控制水的温度使其避开腐蚀最严重的范围,控制流速不能使其过大,防止发生冲击腐蚀,使其处于令腐蚀较小的区域。    (4)管网停运期间采用干式或湿式保养。供热管网一般是冬季运行,夏

25、季停运检修。在停运时由于水温的逐渐降低,水的热胀冷缩会使得整个系统上部出现真空,从而有空气漏入,同时由于管道不可能是绝对干燥的,空气中的氧溶解于水膜中从而造成氧腐蚀。    干式保养是利用干燥剂吸收管道内的潮气以达到防腐目的;湿式保养是在管网停运后将充满杂质的循环水全部排放掉,重新充入经过处理的或加入缓蚀剂的合乎要求的水,然后关闭系统进行保养17。    (5)避免跑冒滴漏,降低补水率。减少由于补水水质不合理要求而带来的腐蚀。    (6)管道涂刷防腐涂料。 

26、60;  (7)选择吸水性小的保温材料,且在保温层外布置防水层,防止外部环境中的水渗入保温层中造成腐蚀。    (8)采用电化学保护法。此方法只能局部应用,这是因为供热管线一般都很长,如果全线采用电化学保护法,则不仅防腐效果不理想而且费用高,不经济。    6结束语随着我国供热事业的发展,为了在节省投资的同时保证供热系统能够安全经济运行,在管网设计时,首先应对供热地区进行供热的整体规划,然后确定最佳的供热管网布置方式、敷设方式以及补偿方式等,使设计方案最合理、最经济。为了减少因腐蚀所造成的巨大经济损失,延长设备的使用寿命,在整个寿命期内,加强管网的防腐工作是必要的。    参考文献1冉春雨.供热工程M.北京:化学工业出版社,2009.2田玉卓,闫全英,赵秉文.供热工程M.北京:机械工业出版社, 2008.3李德英.供热工程M.北京:中国建筑工业出版社, 2004.4赵廷元,岳学文,孙振安.热力管道设计手册M.太原: