鋼套鋼直埋蒸汽管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

鋼套鋼直埋蒸汽管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1直埋蒸汽管道設(shè)計(jì)問題的提出長期以來，國內(nèi)外的長期實(shí)踐表明，在各種結(jié)構(gòu)的直接埋收蒸汽管道中，只有鋼固定結(jié)構(gòu)才能更有效地保證直埋蒸發(fā)管道的長期安全運(yùn)行。但是,過去已建成的鋼套鋼直埋蒸汽管道問題甚多。據(jù)了解,在國內(nèi)已建成的鋼套鋼直埋蒸汽管道中,帶病運(yùn)行的約占工程總數(shù)的40%,3～5年內(nèi)報廢的約占工程總數(shù)的15%。此外,在已建成的鋼套鋼直埋蒸汽管道工程總數(shù)中,至少有50%達(dá)不到25年設(shè)計(jì)壽命。也就是說,合格工程不到50%。出現(xiàn)上述問題的原因可分為三方面:一是制造廠的管件設(shè)計(jì)和加工質(zhì)量的問題;二是設(shè)計(jì)院的施工圖設(shè)計(jì)問題;三是施工質(zhì)量問題。一般不存在運(yùn)行操作方面的問題。本文根據(jù)筆者近年來對直埋蒸汽管道的設(shè)計(jì)、制造、施工和運(yùn)行等方面的體會,僅談一談施工圖設(shè)計(jì)中的幾個要點(diǎn)和建議,希望能為直埋蒸汽管道的設(shè)計(jì)者提供參考或幫助。有不當(dāng)之處,請批評指正。2圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的一些要點(diǎn)2.1外護(hù)管防腐引言中所述已建成的鋼套鋼直埋蒸汽管道工程有50%以上達(dá)不到25年設(shè)計(jì)壽命,主要是指外護(hù)管防腐問題。目前國內(nèi)用于鋼套鋼直埋蒸汽管道外護(hù)管的防腐層有:環(huán)氧煤瀝青、纖維增強(qiáng)環(huán)氧玻璃鋼、三層PE、聚脲及溶結(jié)環(huán)氧粉末等。這些防腐層的優(yōu)、缺點(diǎn)及特性如表1。防腐層的選擇需要綜合考慮耐溫、強(qiáng)度、價格、壽命及補(bǔ)口等五個方面,外表是否美觀并不重要。2.1.1中外護(hù)管溫度《城鎮(zhèn)供熱直埋蒸汽管道技術(shù)規(guī)程》CJJ104-2005對保溫計(jì)算的規(guī)定是要求外護(hù)管溫度小于或等于50℃,但不等于外護(hù)管溫度就不會超過50℃。事實(shí)上,在管道首次運(yùn)行烘干保溫材料的過程中外護(hù)管溫度一般達(dá)到90℃～100℃。所以,在一些研討會上不少專家提出鋼制外護(hù)管防腐層設(shè)計(jì)和應(yīng)力驗(yàn)算都需要按100℃考慮。專家們說的不無道理,目前國內(nèi)確實(shí)因鋼套管防腐層耐溫達(dá)不到100℃被燒壞而失去防腐功能的不在少數(shù)。從表1看,若單從耐溫的角度考慮,除三層PE外,其他四種都可以選擇,且這四種防腐層機(jī)械強(qiáng)度都比較高。2.1.2采用改性pe和溶結(jié)環(huán)氧粉末+改性pe和溶結(jié)環(huán)氧粉末從價格上講,環(huán)氧煤瀝青、纖維增強(qiáng)環(huán)氧玻璃鋼和聚脲三種防腐層比較合適,其防腐層成本比三層PE和溶結(jié)環(huán)氧粉末低一倍左右?！耙?guī)程”要求直埋蒸汽管道設(shè)計(jì)壽命達(dá)到25年,從表1看,環(huán)氧煤瀝青的壽命達(dá)不到要求,后三種的壽命都在50年以上,增強(qiáng)纖維環(huán)氧玻璃鋼的壽命居中,僅可以滿足25年的“規(guī)范”要求稍有富裕。2.1.3前后防腐制作工藝差別或大或小每一根管子和每一個管件都有一個接口,每一個接口都需要在施工現(xiàn)場做防腐。每一個接口防腐長度為400mm左右,現(xiàn)場補(bǔ)口防腐量約占防腐總量的5%。由于現(xiàn)場條件差、設(shè)備簡陋,防腐制作工藝與工廠內(nèi)制作工藝的差別或大或小。在表1中,前兩種現(xiàn)場補(bǔ)口防腐制作工藝與工廠內(nèi)防腐制作工藝差別較小,所以現(xiàn)場補(bǔ)口防腐制作質(zhì)量與工廠內(nèi)防腐制作質(zhì)量差別不大,現(xiàn)場補(bǔ)口容易保證質(zhì)量。而后三種防腐層的工廠制作工藝相對復(fù)雜,現(xiàn)場補(bǔ)口防腐制作工藝與工廠內(nèi)防腐制作工藝差別較大,所以后三種防腐層現(xiàn)場補(bǔ)口防腐制作質(zhì)量與工廠內(nèi)防腐制作質(zhì)量差別較大,這是個關(guān)鍵性問題。這個問題國內(nèi)在高密度聚乙烯外殼熱水直埋管道上也比較突出,由于接口質(zhì)量不能保證,很多在接口部位進(jìn)水將內(nèi)管腐蝕。表1中后三種防腐層最好不要選用,不能只看工廠制作的防腐層技術(shù)指標(biāo)而忽略施工現(xiàn)場現(xiàn)實(shí)性行成的總體防腐技術(shù)指標(biāo)。2.1.4外護(hù)管防腐層的選擇綜上所述,如果鋼套鋼直埋蒸汽管道設(shè)計(jì)壽命15～20年,則環(huán)氧煤瀝青做外護(hù)管防腐層是最佳選擇;若設(shè)計(jì)壽命為25～35年,則選擇纖維增強(qiáng)環(huán)氧玻璃鋼做外護(hù)管防腐層。建議鋼套鋼直埋蒸汽管道外防腐層設(shè)計(jì)壽命不要超過30年,因?yàn)榕涮坠芗脑O(shè)計(jì)壽命難以超過30年(一般為25～30年),外防腐層設(shè)計(jì)壽命過長是個浪費(fèi)。2.2設(shè)計(jì)名份數(shù)2.2.1鋼套鋼直埋保溫管的保溫結(jié)構(gòu)圖1和圖2是目前國內(nèi)用的比較多的兩種鋼套鋼保溫結(jié)構(gòu)。尤其是圖2,不僅國內(nèi)用的最多,而且國外大多鋼套鋼直埋保溫管也都是這種保溫結(jié)構(gòu)。圖2保溫結(jié)構(gòu)還有加不加鋁箔反射層的區(qū)分和抽不抽真空的區(qū)分。當(dāng)然保溫效果最好的是加鋁箔反射層并且抽真空。2.2.2外護(hù)管的性能圖1結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是:(1)由保溫材料作支撐,不設(shè)滑動支架,不存在導(dǎo)向支架熱橋;(2)由于聚氨脂泡沫塑料導(dǎo)熱系數(shù)小,所以保溫效果好;(3)聚氨脂泡沫塑料對外護(hù)管內(nèi)壁有防腐作用;(4)由于聚氨脂泡沫塑料與耐高溫微孔硅酸鈣結(jié)合部的設(shè)計(jì)溫度在100℃～110℃,且聚氨脂泡沫塑料不透氣,所以在無機(jī)保溫材料烘干過程中外護(hù)管不易升溫超過50℃。圖1結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是:(1)造價高。由于聚氨脂泡沫塑料導(dǎo)熱系數(shù)小且耐溫較低,聚氨脂泡沫塑料的厚度又不得小于30mm(太薄無法制作),所以微孔硅酸鈣需要比較厚才能保證聚氨脂泡沫塑料不被燒壞。由于總體保溫厚度大,造成外護(hù)管管徑較大,所以造價較高;(2)固定支架推力大,支撐不可靠。雖然工作管與微孔硅酸鈣之間有硅酸鋁棉減阻層,但由于聚氨脂泡沫塑料在制作時對微孔硅酸鈣的壓力較大(2.5kgf/cm2左右),造成工作管伸縮時與保溫材料之間產(chǎn)生較大的摩擦力,這個摩擦力需要固定支架來承受。固定支架推力大造成固定支架造價高,由于靠保溫材料支撐工作管,所以支撐不可靠。(3)不便于排潮。蒸汽管道一般是露天施工,保證保溫材料不被雨水弄濕太難了,特別是施工時間較長的大工程。圖1結(jié)構(gòu)沒有排潮通道,排潮時蒸發(fā)氣體容易對微孔硅酸鈣產(chǎn)生軸向壓力,造成瓦與瓦之間縫隙加大或破損,導(dǎo)致熱橋現(xiàn)象,燒壞聚氨脂和防腐層。(4)現(xiàn)場保溫補(bǔ)口質(zhì)量難以保證。聚氨脂現(xiàn)場發(fā)泡屬手工作業(yè),內(nèi)部容易產(chǎn)生空隙,質(zhì)量不易控制。圖2結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是:(1)結(jié)構(gòu)簡單明了,技術(shù)成熟,造價低;(2)保溫層內(nèi)無縫隙,工廠保溫制作質(zhì)量可靠,在施工和運(yùn)行過程中不容易損壞,所以保溫層內(nèi)不容易形成熱橋;(3)由于采用了滾動支座,所以摩擦力小,工作管溫變伸縮時運(yùn)動靈活,支撐可靠;(4)便于排潮。即使保溫材料被水侵濕,供熱烘干后不影響保溫效果;(5)現(xiàn)場保溫補(bǔ)口質(zhì)量有保證;圖2結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是:(1)沒有內(nèi)防腐。圖2結(jié)構(gòu)國內(nèi)都不作外護(hù)管內(nèi)防腐,所以外護(hù)管的壽命估算為25～30年;(2)滾動支座有局部熱橋。與圖1相比,圖2設(shè)置了金屬滾動支撐,支撐可靠的負(fù)面影響就是金屬支撐的局部熱橋。2.2.3僅空氣氧腐蝕條件下的管道熱損失對于管徑較小(<DN250)、工程量不大(<500m)、不在夏季施工、能保證施工過程保溫材料不被水弄濕的工程,可考慮采用圖1結(jié)構(gòu)。圖2結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟、造價低,從工廠加工到施工過程都不容易形成缺陷,選用圖2結(jié)構(gòu)更可靠。雖然圖2結(jié)構(gòu)外護(hù)管沒有內(nèi)防腐,但運(yùn)行期內(nèi)外護(hù)管內(nèi)壁與工作管外壁之間的空間氣溫>45℃,其空間相對濕度較小,在外護(hù)管內(nèi)壁不會結(jié)露而形成較嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕。在僅由空氣氧腐蝕的情況下,腐蝕速度很慢,其腐蝕速度<0.15mm/年,所以一般壁厚的鋼管做外護(hù)管,壽命可以達(dá)到25年以上。至于滾動支撐形成的局部熱橋,滾輪與外護(hù)管內(nèi)壁是點(diǎn)接觸,熱傳遞速度很慢。試驗(yàn)結(jié)果表明,介質(zhì)溫度300℃情況下,在圖2結(jié)構(gòu)中,若加三層鋁箔屏蔽(不抽真空),管道熱損失比不加屏蔽層降低20%左右;若抽真空至10mmPa(不加屏蔽層),管道熱損失比不抽真空降低21左右;如果加三層鋁箔屏蔽再抽真空至10mmPa(目前國內(nèi)水平),管道熱損失比不采取任何措施的離心玻璃棉降低26%左右。抽真空還具有減緩管道腐蝕速度的作用。應(yīng)說明的是,介質(zhì)溫度越高,屏蔽保溫效果越明顯;真空保溫效果隨介質(zhì)的溫度增加而下降。筆者從投入、產(chǎn)出、可靠性、國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)和施工水平等多方面考慮認(rèn)為,對于介質(zhì)溫度250℃以下、敷設(shè)距離長、口徑大的長年運(yùn)行管道,可考慮屏蔽保溫或抽真空二者選一;對于介質(zhì)溫度250℃以上、敷設(shè)距離長、口徑大的管道,選擇屏蔽保溫;對于介質(zhì)溫度250℃以下、敷設(shè)距離長、口徑大、夏季不運(yùn)行的管道(外護(hù)管內(nèi)壁易腐蝕),宜選用抽真空保溫;對于介質(zhì)溫度250℃以上、敷設(shè)距離長、口徑大、夏季不運(yùn)行的管道,宜選用屏蔽與抽真空綜合保溫;無論口徑大小或溫度高低,對于節(jié)點(diǎn)多的復(fù)雜管道,都不宜采用抽真空保溫。2.3外護(hù)管無補(bǔ)償敷設(shè)方式《城鎮(zhèn)供熱直埋蒸汽管道技術(shù)規(guī)程》CJJ104-2005第6.1.4t條指出:“鋼制外護(hù)管宜采用無補(bǔ)償方式敷設(shè)”。事實(shí)上,國內(nèi)外絕大多數(shù)鋼套鋼直埋蒸汽管道外護(hù)管都是按無補(bǔ)償方式敷設(shè)的,引言中講的15%報廢率及40%帶病率中多數(shù)也是因?yàn)橥庾o(hù)管應(yīng)力破壞而造成的。我們并不是否定外護(hù)管無補(bǔ)償敷設(shè)方式,外護(hù)管無補(bǔ)償敷設(shè)方式?jīng)]有錯,關(guān)鍵是需要在施工圖設(shè)計(jì)、管件設(shè)計(jì)方面對外護(hù)管應(yīng)力驗(yàn)算和在施工上對外護(hù)管的焊接質(zhì)量高度重視。本文僅簡述施工圖設(shè)計(jì)的外護(hù)管應(yīng)力驗(yàn)算問題。2.3.1外護(hù)管應(yīng)力驗(yàn)算溫度首先外護(hù)管要按無補(bǔ)償敷設(shè)設(shè)計(jì)。在我國,對無補(bǔ)償直埋敷設(shè)熱力管道應(yīng)力驗(yàn)算的研究與推廣已是十年以前的事情了,可以說無補(bǔ)償直埋應(yīng)力驗(yàn)算早已成熟。但是,與過去研究的直埋供熱管道有所不同,鋼套鋼直埋蒸汽管道的外護(hù)管有兩個溫度:初次運(yùn)行烘干保溫材料時100℃;以后多年的正常運(yùn)行設(shè)計(jì)溫度50℃,這個問題需要專題研究。在此專題未取得研究成果前,按《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》CJJ/T-1998和100℃的溫度對外護(hù)管進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算,無疑是安全可靠的。過去不少人認(rèn)為外護(hù)管溫度只有50℃,土壤按15℃計(jì)算,溫差35℃不需要進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算。這種錯誤認(rèn)識可從兩方面說:一是外護(hù)管應(yīng)力驗(yàn)算溫度不應(yīng)該是50℃;二是即使35℃溫差也需要應(yīng)力驗(yàn)算。如圖3所示,直徑為1000mm的外護(hù)管,中間有一個3m的小距離折彎,折彎兩側(cè)的直管線長度達(dá)到500m,兩個彎頭的曲率半徑均為1.5D,經(jīng)應(yīng)力驗(yàn)算,這個小距離折彎不能滿足強(qiáng)度要求,需要采取措施。筆者認(rèn)為,保溫材料烘干后,外護(hù)管應(yīng)力驗(yàn)算溫度也至少要按60℃計(jì)算。因?yàn)橐皇枪芗車耐庾o(hù)管設(shè)計(jì)上限溫度是60℃;二是設(shè)計(jì)外護(hù)管溫度與實(shí)際運(yùn)行外護(hù)管溫度有一定差別,譬如土壤導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)際值與設(shè)計(jì)取值的不一致、覆土深度也不可能與設(shè)計(jì)完全一致等,這些因素都可能造成外護(hù)管溫度超過50℃。所以,應(yīng)力驗(yàn)算溫度要考慮10℃的安全余量。2.3.2補(bǔ)償器加固方案過去由于設(shè)計(jì)不當(dāng)造成外護(hù)管破壞的多數(shù)原因是類似于圖3所示的小距離折彎沒有采取適當(dāng)措施。當(dāng)小距離折彎應(yīng)力驗(yàn)算達(dá)不到強(qiáng)度要求時,通?？刹扇〉拇胧┯?(1)在折彎附近加裝直埋式補(bǔ)償器或一次性補(bǔ)償器;(2)對小折彎管件補(bǔ)強(qiáng);(3)在小折彎附近兩側(cè)做固定墩。優(yōu)先選擇在小折彎附近(距小折彎12m～24m處,大管遠(yuǎn)一些)加裝一次性補(bǔ)償器,一次性補(bǔ)償器的補(bǔ)償量按100℃溫度值計(jì)算,焊死后折彎應(yīng)力按60℃溫度值計(jì)算,若焊死后應(yīng)力驗(yàn)算達(dá)不到強(qiáng)度要求,可采取補(bǔ)強(qiáng)措施。若采取補(bǔ)強(qiáng)措施達(dá)不到強(qiáng)度要求,再改為永久性直埋式補(bǔ)償器,形成外護(hù)管局部有補(bǔ)償直埋。一般不以采取做固定墩的方式來減弱外護(hù)管折彎處的應(yīng)力,因?yàn)橥庾o(hù)管在軸向的推力很大,做固定墩不僅投資大、施工周期長,而且往往因位置有限給固定墩制作造成困難。2.4黨組織所查地下檢查室冒汽的原因分析帶病運(yùn)行的鋼套鋼直埋蒸汽管道中,檢查室冒汽屬于不大不小的毛病,直埋蒸汽管道的檢查室主要有疏水檢查室和閥門檢查室,這些檢查室冒汽的居多,特別是雨天或高水位地區(qū)。檢查室冒汽的原因一般是由外來水侵泡到高溫蒸汽管或疏水管上汽化引起的,由管道漏汽引起冒汽的不多。外來水一是從檢查室人孔進(jìn)入檢查室的雨水,二是通過檢查室壁滲入檢查室內(nèi)的地下水。檢查室防水做起來比較難。一是既能滿足道路車輛的壓力又十分密閉的市政井蓋很難找到;二是要做到井圈與混凝土檢查室頂棚、鋼外護(hù)管與混凝土檢查室壁的結(jié)合處滴水不漏也很難。所以,要想解決檢查室冒汽問題,首先要從設(shè)計(jì)上減少檢查室數(shù)量,對于必須存在的檢查室,要從設(shè)計(jì)開始從根本上解決密封問題。2.4.1疏水裝置的推廣疏水裝置過去大多是設(shè)計(jì)在兩個疏水檢查室內(nèi),一個檢查室安裝疏水裝置,另一個檢查室專門用于儲存疏水裝置排出的水。這種設(shè)計(jì)的弊端除了檢查室進(jìn)水冒汽外,疏水裝置的檢查與操作既不方便也不安全。由上海金山石化設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)的上海金橋熱能有限公司的鋼套鋼直埋蒸汽管道,最早把疏水裝置設(shè)計(jì)在地面以上,采用了上疏水裝置,免去了疏水檢查室,當(dāng)然也就不存在疏水檢查室冒汽的毛病,操作方便又安全,后來沒有得以推廣的原因是疏水裝置露天設(shè)置有問題。再后來有人想到把疏水裝置安裝在美觀的鐵箱子內(nèi),在工廠制作,放在地面以上,效果很好?，F(xiàn)在電信、電力等一些原來在地下井室的裝置很多也放在地面上的鐵箱子內(nèi),看來這的確是比較好的方法,我們的疏水裝置也應(yīng)該在這方面有更多的應(yīng)用。2.4.2預(yù)應(yīng)力管道設(shè)計(jì)與疏水裝置不同,