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地埋蒸汽管的設計

地埋蒸汽管道設計的基本原則：

1.1、 直埋蒸汽管道與直埋熱水管道的設計方法有著根本的區別

1.1.1、 因管網運行參數不同而造成的區別：

地埋蒸汽管道所輸送的均為高溫蒸汽介質，因其溫度高，所以設計方法不同于直埋熱水管道 。

首先，按照我國國家建設部頒布的《城市直埋供熱管道工程技術規程》CJJ/T81-98的規定， 直埋熱力管道的直管段的當量應力變化范圍應滿足下式：

σj＝(1－V)σt－aE(t2－t1)3σ［σ］

式中：

σj - 內壓、熱脹應力的當量應力變化范圍(MPa);

v - 鋼材的泊松系數;

a -鋼材的線膨脹系數(m/m.℃)；

E - 鋼材的彈性模量(MPa);

t1 - 管道工作循環較高溫度(℃);

t2 - 管道工作循環較低溫度(℃);

σt - 管道內壓引起的環向應力(MPa)

［σ］ - 鋼材在計算溫度下的基本許用應力(MPa)。

按照上式，若循環較低溫度按停運時的10℃計算，則管道高溫度t1允許達到150℃， 而按照我市一熱電廠所供蒸汽溫度-296℃計算，顯然不能滿足上式。

因此，直埋蒸汽管道的設計不能象直埋熱水管道那樣允許有錨固段存在，直埋蒸汽管道的設 計必須使整個管系的熱應力釋放掉，即管道必須能產生熱位移。

此外，由于高溫蒸汽管道的計算溫差遠遠大于熱水管道的計算溫差，并且鋼材的線膨脹系數 也隨 溫度升高而有所增大，因此相同長度管道的熱伸長量，296℃的蒸汽管道比150℃的熱水管道 大一倍多。由于受補償器補償能力的限制，直埋蒸汽管道固定墩的間距比直埋熱水管道要小 得多。1.1.2 因管道保溫結構不同而形成的區別：

*，直埋熱水管道使用的是“三位一體”的預制保溫管，即聚氨脂保溫層緊密地粘結 在工作鋼管的外表面。但由于聚氨脂的耐熱溫度較高為140℃，因此直埋蒸汽管道只能做成 包裹式的 復合保溫結構，即必須使用耐高溫的保溫材料，這種包裹式的結構使得工作鋼管與保 溫層必然是脫開的，*一點區別就決定了直埋蒸汽管道不能按照直埋熱水管道的設計方法 進行設計。

地埋蒸汽管的設計

1.2、 地埋蒸汽管道的設計思路：

綜上所述直埋蒸汽管道不能采用直埋熱水管道的設計方法，因此我們對直埋蒸汽管道設計的 基本 構思借鑒了地溝與架空管道的設計方法，同時又特別明確了它與地溝或架空管道的設計方法 也存在著區別。主要的區別是直埋蒸汽管道的保溫結構對管道熱膨脹及管道補償方式的影 響及限制。此外，地溝及架空管道兩固定點之間的較大長度是由管道失穩條件決定的，它與 管徑的大小及補償器的補償能力有關，而直埋蒸汽管道兩固定點之間的較大長度在受補償器 補償能 力的限制的同時也受管道保溫結構的約束。例如，由于保溫結構對直管段及彎頭的徑向位移 空間的限制，使得直埋蒸汽管道不能象地溝或架空管道那樣可以利用管網的實際路由走向選 擇 不同形式的補償器，直埋蒸汽管道的補償器只能采用軸向型的，自然補償管段也只能設計得 較短。而直埋蒸汽管道的強度驗算和地溝或架空敷設的設計方法是一致的，即采用彈性分析 的方法，工程實踐證明這種設計方法是可靠的。

2、合理地選擇預制復合保溫管道是地埋蒸汽管道工程設計的關鍵：

當我們做一項工程設計時，首先要根據工程的實際情況合理選擇復合保溫管，確認它的保溫 結構、材料及其性能能滿足設計參數及工程特性的要求，并根據管網的布置狀況向生產廠 家明確提出管系及特殊管件的具體要求。

直埋蒸汽管道對管道的保溫材料及保溫結構的基本要求是，保溫材料本身的性能優良，具有 較強的憎水性，并且在特殊環境(如高溫)下其自身特性變化不大；保溫管道的整體結構要具 有足夠的機械強度；外保護套要有可靠的防腐能力和承內壓、外載能力。此外，直埋蒸汽管 道還應滿足以下要求：

2.1、 管道在保溫層內能夠充分地滑動 管道在工作時因溫度的變化會出現熱脹冷縮，在直管段上產生軸向位移，在彎頭及其附近會 有軸向位移和徑向位稱同時產生。為了保證管系熱應力的充分釋放同時減小管道對固定墩的 推 力，要求管道與保溫層之間的滑動摩擦系數要低。現生產廠家多采用在管道與保溫層之間設 減阻層的方法，效果好的可將摩擦系數減小到0.3以下。當彎頭處采取自然補償的方式時， 要求彎頭及其兩側一定長度的管道要有足夠的軸向位移及徑向位移的空間。

2.2、 要保證管道保溫結構本身和周圍土壤的溫度場的要求

由于直埋蒸汽管道的介質溫度高，如不有效地控制保溫結構各環節的溫度，就會造成保溫管 道的保溫層、外防護層的破壞，嚴重時可導致管網全線破壞。例如復合預制保溫管的低溫保 溫層 一般都采用聚氨脂，其較高適用溫度是140℃，如果該界面溫度超過140℃并長期運行，就會 造成聚氨脂碳化、強度減弱、保溫失效。

此外，管道外表面溫度升高時，對其混凝土固定墩 、管道周圍的電纜、上、下水管等都會造成影響甚至破壞。

因此設計直埋蒸汽管道時，一定 要對管道的整體及局部的溫度控制(向保溫管生產廠)提出明確要求。

2.3、 要具有排潮裝置

保溫管在工廠生產、運輸及安裝過程中不可避免地含有或吸收一些潮氣甚至少量水分，這些 潮氣或水分在管道運行時經管內蒸汽加熱就會形成蒸汽，如不及時迅速地排除出去，就會使 保溫層間的溫度、壓力升高，甚至破壞保溫結構。

2.4 要有可靠的外防護層

目前，國內使用的復合預制保溫管的外保護套有三種材料，即聚乙烯、玻璃鋼、鋼。玻璃鋼 材料現在國家還沒有制定統一的技術標準，質量不易保證；采用聚乙烯外套則管件與管道的 (外套)接口不好處理，如固定節與管道、補償器與管道的接口處，這些接口如處理不好，運 行過 程中地下水就會滲入管道保溫層并形成蒸汽，嚴重時會導致管網全線報廢；鋼外套雖然嚴 密但工程造價高，并且外防腐如果處理不好就不能保證管網的使用壽命，同時由于鋼外套 本身溫度應力的作用，管道的固定墩比聚乙烯外套的預制保溫管大很多。綜上所述，我們在 進行設計時，要根據工程的具體情況進行分析比較，確定使用哪種外防護套，并根據外防護 套的材料提出對管件結構的要求。

3、 地埋蒸汽管道工程的設計：

在上述設計基本原則的構思指導下，管系的整體設計過程是在管網水力計算、強度驗算后， 根據管網的路由走向，結合工程的實際狀況和特定的外界條件，合理地設置管道的熱補償及 所有管件。

3.1、 將管網合理地劃分成若干個封閉的保溫管段

因為復合預制保溫管道的結構是管道與保溫層之間是有位移空隙的，管網在運行時一但某一 點發生蒸汽管道泄漏或外防護層破損外漏，則熱媒蒸汽或地下水受熱汽化就會通過管道與 保溫層之間的這一“通道”遍布整個管網，嚴重時會使整個管網遭受損失。將管網分成若干 個封閉的保溫管段，就能夠縮小事故的影響段，便于查找事故點。因此我們在工程設計中， 根據現場的具體條件，將每一對固定墩之間及主干線與支線之間都設計成封閉的保溫管段。

3.2、 管網熱補償的設計：

如前所述，由于受管道保溫結構的限制，管網直管段的補償器只能采用直埋式軸向型的。按 照通常做法，軸向型波紋補償器都布置在固定支架旁以防止其軸向失穩，但筆者認為，這種 布置方法對波紋補償器的每個波節吸收位移的工作受力傳遞不均，發揮的補償能力不充分。 我們認為解決補償器軸向失穩問題除與其布置位置有關外，更主要的是取決于補償器自身的 性能和質量。因此，我們在設計時，一定要選擇自導向性能好、抗失穩能力強的補償器；而 對于補償器的布置則要根據工程的實際情況靈活運用，根據管系的分段長度及具體條件可布 置在兩固定墩中央或之間的任意位置，這樣既能躲避復雜的地下障礙的影響，又能滿足管段 的補償要求。但要注意，補償器不要布置在彎頭或折點旁。實踐證明這種設計方法是可靠的 。

補償器的保溫結構一定要滿足強度及溫度控制要求，同時，補償器的保溫結構應不影響補償 器的自身性能及正常工作。

3.3、 合理布置管網的疏水點

由于蒸汽管網運行負荷不穩定，甚至經常會有零負荷狀態，在這一時間段內管網的凝結水很 多，如不及時排出就會發生水擊，嚴重時會對管網造成破壞。因此，合理設置疏水點是管網 安全運行的保證。我們在設計時對疏水點的布置考慮了以下幾點：(a)沿管網汽源方向并根 據管網的路由高程將管網做成有坡度設計，順流疏水。(b)在地下障礙多，管道敷設呈縱 向 起伏的管段，采用多低點疏水；當逆流疏水時，盡量加大管道坡度。(c)我們目前使用的疏 水節 的結構是在管道底部設集水罐，由集水罐引出疏水管。由于管道運行時存在反復熱位移，會 對疏水管根部的焊口產生剪切力造成破壞，為了避免這種情況發生， 我們設計時將疏水節設在固定節旁，或要求保溫管生產廠家將疏水節和固定節做為一體。

為了管網運行維護安全，操作方便，我們在設計中，*采用了背壓疏水的方式，不管管道 埋深多少，疏水井均設在地下0.5至0.8米深的位置，每個疏水點均設自動疏水器和啟動疏放 水旁路閥，并在設計說明中對啟動運行的疏放水操作提出明確要求。實際運行證明這種疏水 方式是安全可靠的。

3.4 合理地設計管道的埋深

直埋蒸汽管道的埋深是決定管道外表面溫度的條件之一，因為土壤的導熱系數不僅與土壤的 種類、化學成分、含水量有關，還與土壤的埋設深度有關，實驗證明，隨著埋深的增加，土 壤 的導熱系數降低，因此，管道埋得過深會使管道的外表面溫度升高。我們在設計時，在保證 管道不被地上荷載破壞，即滿足強度要求的前提下，應盡量淺埋，筆者認為，在地下條件允 許的地方，管道的埋深以0.8～1.0米為宜。

3.5、 固定墩的設計及鋼外套管的應力計算：

直埋蒸汽管道與直埋熱水管道的固定節的受力結構基本相同，即在管道上焊接固定環板。但 直埋蒸汽管道的固定節存在的問題是環板溫度很高，并且由于熱橋的作用，環板兩側管道的 外表面溫度也很高，因此，即使是聚乙烯外套的預制復合保溫管，其固定節處的外保護套也 不能直接使用聚乙烯，國內目前多采用的做法是在固定節處采用鋼外套 ，并增加固定節的長度以保證管道和固定節的接口部分的外表面溫度不超過設計要求，這就 使管網出現了鋼塑接口問題，這一問題目前仍沒有令人十分滿意的處理方法。對于鋼外套的 預制復合保溫管，固定節處的鋼外套的防腐應考慮到耐高溫問題。直埋蒸汽管道固定墩的土 建設計要采用耐熱混凝土。

對于鋼外套的預制復合保溫管，設計時還要考慮鋼外套管的應力分布。直埋蒸汽管道的外表 面設計溫度一般是50℃，按照直埋熱水管道的設計原理，這一溫度對直管段產生的熱應力完 全不必進行驗算，但對于彎頭、折點、三通等應力集中點就需要進行安定性分析及驗算。筆 者在設計時，對鋼外套管系是按照直埋熱水管道的設計方法來處理的。

對固定墩的推力計算，除應考慮固定墩兩側管道補償器的彈性反力、不平衡內壓力及管道的 摩 擦力外，對鋼外套的預制復合保溫管還應考慮鋼外套管對固定墩的推力。例如，按照外表面 溫度較高50℃計算，當工作鋼管直徑為DN350、外保護套管直徑力DN700時，采用鋼外套管的 固定墩的推力比塑套管的固定墩推力較大可提高10倍。雖然采用在鋼外套管上設補償器的方 法可以減小固定墩的推力，但由于外補償器的防腐問題目前還沒有十分可靠的方法，從而不 能 保證管網的使用壽命。為了解決上述問題，對固定墩的設計我們利用相對固定的概念，采用 內固定的方法，即將固定環板焊接在工作鋼管與鋼外套管之間的方式。鋼外套管對于工作鋼 管視為 固定參照物，其內固定節強度結構只考慮工作鋼管的推力Fj即可。對鋼外套管來說，Fj僅為 它的內平衡力，復合保溫管的整體的穩定由土壤作用在鋼外套管上的被動土壓力來滿足平衡 。在小白樓蒸汽管道改造工程中，我們采用了全部內固定的方式，解決了因地下條件惡劣而 無法做固定墩的難題，既縮短了施工周期，又降低了工程造價。

3.6、 管件的設置：

3.6.1、 彎頭

起自然補償作用的彎頭將產生軸向及徑向位移，為了保證管道在彎頭處的熱位移不受約束， 并使預制復合保溫彎頭的保溫結構不被擠壞，必須在工作彎頭與保溫層間留有位移空間。德 國布魯格公司將保溫彎頭做成轉角處凸出的“大肚”型結構，以適應彎頭變形位移量的要求 。目前國內的普遍做法是彎頭處填充松軟的保溫材料。我們在工程設計中，應就自然補償管 段的熱補償量問題同保溫管生產廠家交換意見并達成一致，以使彎頭處的保溫結構既能較 大限度地吸收管道的熱位移，又能保證其結構不被破壞。

3.6.2、合理設置排潮管：

我們在工程設計中，每段封閉的保溫管段之間均設一至二個排潮管，排潮管應引到地面以上 ，行人、車輛無障礙的安全地方，排潮管口要向下彎，以避免雨雪由排潮口進入管道的保溫 層。

3.6.3、三通、大小頭、閥門等的設置：

對于容易產生應力集中的管件，我們在工程設計中遵循的原則是通過分析管系的應力分布狀 況，盡量布置在軸向、徑向位移量小的地方，右靠近固定墩布置。必要時向廠家提出加強管 件強度措施的要求。在選擇閥門時，注意考慮閥門承受內壓及軸向力的能力。此外，管件與 管 道、管道與管道的連接處的保溫及密封處理要做到連續、嚴密。直埋蒸汽管道工程是一項系 統工程，這一點已為業內人士所共識。從管網的設計到管道的 制造、安裝及管網的啟動運行，每個環節都直接影響著工程的成敗。而一項好的設計可以使 產品的性能得以充分發揮，可較較大限度地減少施工中的困難，可以降低工程造價。因此， 我們的設計一定要做到嚴謹合理，為工程的成功提供可靠的前提保證。