直埋蒸汽管道幾個關鍵技術的思考與探討

本文通過對直埋蒸汽管道設計、生產(chǎn)、施工等方面調查、研究，針對幾個關鍵技術問題進行了分析、探討，供廣大供熱科技人員參考。
關鍵詞：直埋蒸汽管道；保溫結構內固定支架；微量變形；思考；技術；管道；蒸汽
一、直埋蒸汽管道技術發(fā)展概況
目前，我國直埋蒸汽管道市場需求愈來愈大，而且有迅猛發(fā)展之勢。這種局面的出現(xiàn)，主要由以下原因促成：
A、我國推廣“集中供熱”、“熱電聯(lián)產(chǎn)”、“三聯(lián)供”等節(jié)能、環(huán)保政策的需要；
B、現(xiàn)代文明城鎮(zhèn)建設的加速和對節(jié)能、環(huán)保的高要求；
C、國家為了提高人民生活質量水平，供熱范圍由嚴寒的“三北”地區(qū)（即華北、東北、西北）向廣闊的冬寒夏熱的“過渡地區(qū)”擴展的需求。
1.1、研究、開發(fā)、應用等方面取得了長足進步
為適應直埋蒸汽管道迅速發(fā)展的市場需求，近幾年來我國廣大科技人員、生產(chǎn)廠家在直埋蒸汽管道技術的研究、開發(fā)、應用等方面，付出了大量心血，取得了長足進步。保溫結構型式和選用材料之多樣化，工程實踐規(guī)模之大，世界上沒有一個國家可以和我們相比。筆者曾多次和德國布魯格、意大利索克薩姆以及美國等多家公司交流，他們一般zui大管徑Φ500mm，用量也不大，而目前我國山東濟南、河北石家莊、陜西西安、遼寧大連、河南、江浙等地區(qū)所采用的直埋蒸汽管道已超過Φ500mm，有的已達Φ900mm。保溫結構型式有內滑動、外滑動，選用的耐高保溫材料有微孔硅酸鈣、玻璃棉管殼、熱壓珍珠巖、硅珠保溫材料、復合硅酸鹽等。保溫結構型式、選用保溫材料種類很多。因此在直埋蒸汽管道開發(fā)和應用領域，我國并不比發(fā)達國家落后。
直埋蒸汽管道幾個關鍵技術的思考與探討

1.2、采取兩面走方針
一方面肯定研究、開發(fā)方面的寶貴經(jīng)驗，另一方面也應清醒地認識到目前我國蒸汽管道直埋敷設技術在研究、設計、生產(chǎn)、材料、檢測等方面，尚存在著理論、技術、管理等方面諸多問題，距這項技術的完善還有很大距離。
筆者通過對南、北方一些工程事故調研發(fā)現(xiàn)，由于基礎理論研究滯后于開發(fā)，設計計算不確，產(chǎn)品粗制濫造，施工馬虎從事，運行違規(guī)操作等，造成部分蒸汽管道直埋不久便出現(xiàn)“跑、冒、漏、傷”，“帶病運行”問題，遺患于后，危及安全生產(chǎn)。在此種情況下，應冷靜、客觀地對以往的實踐進行實事求是的科學分析、研究、總結，繼而加強科研力度，以促進蒸汽管道直埋技術的進一步提高和完善。
二、對直埋蒸汽管道幾個關鍵技術的思考與探討
蒸汽管道直埋技術是一項涉及熱力學、材料力學、巖土力學、流體力學以及有機材料、無機材料、防腐、電化學等多學科的系統(tǒng)工程，而且投入生產(chǎn)后是動態(tài)運行，所以蒸汽管道直埋敷設與熱水管道直埋敷設相比較，技術復雜的多。據(jù)有關專家總結，直埋蒸汽管道通常有三大系統(tǒng)，十三個結點處理，每一項處理不當，就會立即或即將造成工程事故，隱患性很大。篇幅所限，不能展開討論，下面僅對幾個關鍵技術提幾點參考意見，以期“拋磚引玉”。

2.1、關于保溫結構計算
2.1.1、蒸汽管道直埋敷設與架空、地溝敷設傳熱狀態(tài)不同，架空敷設是向無限空間傳熱，地溝敷設是熱介質通過保溫材料、流動空氣層、溝壁等以不同傳熱狀態(tài)向周圍土壤傳熱，而直埋敷設，簡化講熱介質是向周圍土壤按一維穩(wěn)態(tài)傳熱，土壤可視為保溫結構一部分。以目前國內常用的內滑動式復合結構蒸汽保溫管為例，計算過程中首先應劃定三個界面溫度。
無機保溫材料與有機保溫材料接觸處可視為*界面，外保護層與土壤接觸處視為第二界面，地表與空氣接觸面視為第三界面。計算時應先控制三個界面溫度，*界面溫度控制在有機材料耐溫能力以下；第二界面溫度應控制保護層的防腐、防水及機械性能不遭受大幅度衰減或破壞；第三界面溫度則控制不會因界面溫度升高而使得管道周圍土壤熱阻值提高，從而造成*、二界面溫度升高破壞保溫結構。所以在保溫結構計算過程中，應校核當?shù)?、極低環(huán)境溫度的影響，必要時應適當調整保溫結構各層保溫材料的厚度，以確保保溫結構安全。同時，計算過程中不能簡單地按架空管道保溫結構或按中公式進行計算，而應結合節(jié)能50％，管網(wǎng)輸送效率提高到大于90％的要求。

2.1.2、保溫計算中，對土壤、保溫材料的導熱系數(shù)選取不能草率，這兩個系數(shù)的選取正確與否，往往影響保溫效果和管道運行安全性。
土壤的導熱系數(shù)在0.5～2.5w/m.k之間，跨度很大，其大小與土壤種類、含水量大小、化學成分、埋設條件等多種因素有關。在工程設計時應堅持實測當?shù)赝寥缹嵯禂?shù)或求助當?shù)氐刭|部門提供資料，認真確定土壤導熱系數(shù)值。如果只根據(jù)“無資料可查時取1.5w/m.k”確定土壤導熱系數(shù)不是科學的，因為不能確切反映管道所處的土壤實際情況，造成計算結果誤差很大。例如南方高水位地區(qū)和西部干燥地區(qū)的土壤導熱系數(shù)值相差成倍，那么保溫結構計算結果也會差異很大，如果草率計算，會造成管道表面溫度過高或過低，破壞管道保護層或不經(jīng)濟。所以，應使用當?shù)貙崪y土壤導熱系數(shù)值來計算。石家莊供熱指揮部等單位堅持實測導熱系數(shù)的做法是科學態(tài)度。
對各種保溫材料的導熱系數(shù)，不能簡單以廠家提供的單體數(shù)值為準，而應搞清楚該數(shù)值是在何種溫度，何種條件，哪一級檢測部門測定的，有否導熱系數(shù)方程式。然后盡量參照行業(yè)標準確定的導熱方程式來選取、確定導熱系數(shù)。例如微孔硅酸鈣，筆者見過幾個廠家標出的導熱系數(shù)都不同，這時應憑據(jù)標準GB/T10699－1998<硅酸鈣絕熱制品>相關條文選取，送樣檢測后確定導熱系數(shù)。
2.2、保溫結構型式選擇應因地制宜
由于蒸汽管道介質溫度高，保溫結構不可能做成像直埋熱水管道那樣“三位一體”，需要做成“脫開式”，即工作鋼管與保溫層或外護層脫開。
2.2.1、國外基本是采用鋼外護層
德國、美國采用外滑動式，即綁縛著保溫材料的工作鋼管在鋼外護層內滑動。只有意大利薩克索姆公司是采用工作鋼管在保溫層內滑動，即內滑動式（但他們沒有設內滑動層）。實事求是講，國外對于蒸汽直埋技術基礎理論研究及實驗并不深入，只是由于他們國家的經(jīng)濟條件、技術條件等*，制造工藝精細，外防腐技術指標高，施工要求嚴格，所以價格也很高。

2.2.2、我國對于蒸汽管道直埋技術的研究與開發(fā)，是摸索前進的，在摸索保溫結構型式過程中，大致分為三個階段。
外護層：
*階段：采用“塑套鋼”，型式，即外護層采用高密度聚乙烯，工程實踐發(fā)現(xiàn)，聚乙烯耐溫能力太差，當局部熱流外泄，很容易造成外護層蠕變、鼓脹破壞，聚乙烯做外護層不適用于蒸汽管道，目前已成為共識。
第二階段：采用玻璃鋼做外護層，而溫能力大大強于聚乙烯，加工工藝由于是采用纏撓式，與采用聚乙烯管做保護層需要穿管比較，可以克服偏心，質量有保證。但由于對玻璃鋼制造工藝機理了解不透，采用了簡陋方式，同時，玻璃鋼外護層標準當時還沒有頒布。制造的玻璃鋼外護層質量低下，運輸、安裝過程中再違規(guī)操作，出現(xiàn)局部開裂破壞，動搖了采用玻璃外護層的信心。
第三階段：仿照國外采用鋼外護層，即鋼地溝型式。由于國情所限，*仿照國外，使用單位經(jīng)濟難以承受，制造企業(yè)只能簡易從事，但它的“優(yōu)勢”是前二年、三年不易發(fā)現(xiàn)問題，于制造商保一個運行循環(huán)有利，所以近期這種型式較為“走火”。不過建立開發(fā)、使用單位應冷靜考慮遺患未來問題，如防腐、檢修等問題。關于此問題還要詳細探討。
保溫層：

*階段：主要采用巖棉、復合硅酸鹽氈與聚氨酯泡沫復合。工程事故教訓說明上述兩種材料存在兩大問題，一是遇潮板結變形，二是支撐力不夠，特別較大管徑保溫管，很容易被埋土壓扁破壞，現(xiàn)在已基本不再用。
第二階段：采用微孔硅酸鈣瓦與聚氨酯泡沫復合。由于硅酸鈣瓦之間有縫隙，當管道運行后容易裂縫，造成局部熱流外泄，破壞有機保溫層和保護層，雖然采取了一些措施，但仍未能保證熱流不外泄問題。
第三階段：多極化，“百花爭艷”，硅酸鈣、高密度玻璃棉管殼、硅珠復合材料等，現(xiàn)在正在通過實踐檢驗。
2.2.3、通過上面敘述，說明蒸汽管道結構型式在摸索過程中，廣大供熱科技人員和開發(fā)商，確實注入了大量心血，但是，究竟哪一種結構型式為*呢？筆者認為，目前還不是肯定哪一種結構型式為*的時候。應當根據(jù)我國具體國情，繼續(xù)深入研究、實踐、總結?，F(xiàn)在標準所正*分科技人員編寫。文件中蒸汽管道技術條件，只提出要求，并沒有肯定結構型式。這很好，給今后深入研究、開發(fā)留有空間，是實事求是的科學態(tài)度。
我國地域廣闊，氣候、水文、地質條件差異很大，不能簡單地像國外一些國家采用一種模式。筆者通過近二年對南方、沿海、西部等地區(qū)調研認為，我國發(fā)展蒸汽管道直埋敷設技術，在考慮我國經(jīng)濟條件情況下，應因地制宜。例如南方主要矛盾是防水問題，沿海地區(qū)不僅有防水問題，更關鍵是防止氯、硫氧化物腐蝕問題，而西部地區(qū)突出土壤熱阻問題。
沿海地區(qū)采用鋼套鋼型式，外護層防腐解決困難，而采用按“標準”制造的玻璃鋼外護層既能防水更能防腐，而城市主要街道地區(qū)敷設的管道和由電廠通過野外向城區(qū)輸送蒸汽的管道又不宜同等對待。前者要求嚴格些，后者則可簡易些。西部地區(qū)干旱，地下水位低，解決的主要矛盾是土壤熱阻值等問題，因此，保溫層采用廉價的材料，例如硅珠復合材料（硅珠與粉煤灰復合）。而外護層也不一定采用價高的鋼外護層，所以，不同地區(qū)當選用蒸汽保溫結構時，一定要根據(jù)當?shù)氐臍夂?、水文、地質、經(jīng)濟以及介質溫度高低、管徑大小等，全面、認真地進行經(jīng)濟、技術比較，論證后確定方案，不能盲目草率仿照其它地區(qū)。

2.3、對“外滑動鋼套鋼”結構型式的探討
目前，國內采用的“外滑動式鋼套鋼”結構型式（鋼地溝）基本上是仿照國外直埋蒸汽管道型式，供熱行業(yè)為了實現(xiàn)，需要引進*進技術。但應該認真學習、吸收、消化后再“為我所用”，而不能簡單地根據(jù)國外產(chǎn)品商業(yè)廣告說明書，“看圖識字”、“照貓畫虎”。筆者通過與國外公司交流和國內采用外滑動式鋼套鋼直埋蒸汽管道工程調研發(fā)現(xiàn)，下列幾個問題共同探討。
2.3.1、外套鋼管的防腐問題：國外對外套鋼管防腐極為重視，要求嚴格，他們對鋼套管內外側防腐都有措施。歐洲如德國，鋼套管外側是采用涂刷防腐材料后再纏HDPE，穿強度要求達到20000V以上（BULUC公司21000V），內側面則采用抽成真空（設真空泵房保持），衰減腐蝕條件；美國則是在鋼套管外側面噴涂20～30mm厚聚氨脂絕緣層后再噴涂2mm左右玻璃纖維樹脂（玻璃鋼），類似我國采用玻璃鋼做外護層的熱水預制保溫管，內側面是采用抽真空或噴涂刷陶瓷防腐材料，外側防腐層耐穿強度也要求達到20000V以上。國內目前鋼套管外側面只采用涂刷富鋅、環(huán)氧煤瀝青防腐涂料，據(jù)測試穿能力只有5000V左右，鋼套管內側面防腐一般就不考慮了，而鋼套管內側面由于處于高濕熱條件下，又有空氣，會加速鋼套管內側面的腐蝕速度。國內目前有個別廠家已經(jīng)注意到上述問題。對鋼套管外側面已開始采用類似美國的方法，但鋼套管內側面尚未加強防腐措施。因此，目前國內對鋼套管的防腐措施，特別是在高水位地區(qū)，能否保證鋼套管達到標準界定的蒸汽管道壽命大于20年，尚需我們拿出有利的科學依據(jù)。應提醒：埋入地下的蒸汽管道三年五載不出問題，并不等于20年沒問題！因此，建議國內同行應進一步加強研究，拿出既適合國情，又保證外套鋼管壽命的科研成果。
2.3.2、鋼套管橢圓化變形帶來的麻煩和解決方法，根據(jù)材料力學理論，常規(guī)壁厚的鋼管當直徑超700mm，會因橢圓效應產(chǎn)生橢圓變形，使得力學計算復雜化。當介質溫度超過300℃，一般DN>400mm的工作管，鋼套管直徑就有可能超過700mm，鋼套管橢圓變形就會產(chǎn)生。埋地鋼套管橢圓化變形主要與兩個因素有關：
A、鋼套管上面作用的垂直荷載，包括隨埋深增加而加大的土壤荷載和隨埋深增大而減小的車輛等活荷載；
B、鋼管的截面參數(shù)，在相同的垂直荷載作用下，鋼管半徑越大，橢圓化變形越大，管壁越厚，橢圓化變形越小。
鋼套管橢圓化變形，如超過一定限值，會造成局部失穩(wěn)破壞，即使沒有達到失穩(wěn)破壞程度，如果預留縫隙與計算變形不符，滑動支架變形、卡腿、斷腿必定會發(fā)生，造成管道系統(tǒng)破壞。
為了控制因橢圓化變形造成管道破壞，在進行外滑動鋼套結構型式設計、生產(chǎn)時，應按有關規(guī)范，認真計算，將橢圓化變形率控制在3％以內，同時，滑動支架與鋼管內壁間隙應與之適應。關于計算方法及公式，將另文介紹。
2.3.3、國外對保溫材料如何*包縛在工作鋼管上，是有著嚴格技術措施的，他們采用特殊的防腐蝕鋼材帶包縛保溫材料，間距也有具體要求。如果簡單地用細鉛絲或塑料帶包縛保溫材料。在高濕熱條件下，經(jīng)過一段時間鉛絲銹斷，塑料帶老化，造成保溫材料脫落，保溫結構破壞。
2.3.4、內工作鋼管保溫層外表面與鋼套管內壁的間距尺寸并不隨意，而是將這個空間作為輻射傳熱的保溫層，空間不能產(chǎn)生流動氣流。國外是抽真空達到防止產(chǎn)生氣流，國內由于條件所限，采用抽真空措施，暫時還難以實現(xiàn)。但預留的空氣層厚度不能隨意，一般不大于20mm，以防止空氣對流產(chǎn)生，提高隔熱效果。

2.3.5、某些節(jié)點處理也存在不安全性和檢修難。如將波紋補償器安裝在外鋼套管內，一旦破壞，如何確定位置、如何檢修均尚沒有明確、成熟的方法，其它像國內固定支架、疏水裝置等同樣存在上述問題。
還有其它諸多因素不一一列舉。通過以上幾點只是想說明在引進*時，應該真正“吃透”后，再“為我所用”。同時，目前對“鋼套鋼”結構型式，尚不應簡單肯定，需進一步深入研究、實驗，拿出經(jīng)濟、技術符合我國國情，又不會造成遺患于后的鋼套鋼結構型式方案。
2.4、關于內固定支架
由于蒸汽管道熱伸長量大，為了保證管道有效地實現(xiàn)熱脹冷縮，需要設置固定支架。如果還是按外固定設置方法，由于蒸汽管道溫度高，補償段短，固定墩設置多，尺寸大，這樣一是增大工程量，二是造成施工難度。為解決這項技術難點，通過對國內外充分調研、交流，我校于1995年立題研究，題目是：《蒸汽管道內固定支架試驗方法研究》，并上了一名研究生專題研究了三年。在研究過程中曾得到蔡啟林教授、姚約翰總工、楊明學研究員等專家熱誠指導，課題完成了，但為什么至今沒有向社會發(fā)表，原因是有些問題尚需要深入探討，鑒于目前已有單位使用，為了安全，現(xiàn)將兩個主要技術問題予以簡要說明，供參考。
2.4.1、計算理論依據(jù)：根據(jù)彈性力學理論，內固定支架是采用薄壁小圓環(huán)理論進行計算，這種計算方法的邊界條件要求內外鋼環(huán)必須緊密結合，受力均勻，但施工過程中很難達到要求，如果采取沿管道周邊分幾片組成不連續(xù)圓環(huán)，更不可能達到邊界條件要求。所以需要進一步研究、探討可以滿足計算邊界要求的施工技術措施，否則運行后會產(chǎn)生不安全因素。
2.4.2、為了防止冷橋作用，熱流外泄，內固定支架的內外環(huán)采用石棉橡膠墊隔熱。采用石棉橡膠墊，有兩個問題需要考慮。
A、石棉橡膠熱老化問題，一般蒸汽管道壽命介定大于20年，石棉橡膠墊肯定達不到（由于橡膠原因），一旦石棉橡膠老化粉化，不僅隔熱目的達不到，而且造成結構破壞，影響管道安全運行。
B、根據(jù)石棉橡膠墊導熱系數(shù)計算，每10mm只能隔熱26℃左右，如果介質溫度高，又要控制外套鋼管的表面溫度，則石棉橡膠墊需要很厚，難以實現(xiàn)。

2.5、固定墩微量變形與力衰減
即使采用了內固定支架方法，一個管網(wǎng)總是有的地方還要采用*，例如拐彎處、出土端等。由于蒸汽管道產(chǎn)生的熱應力高，特別是大管徑管道產(chǎn)生的推力數(shù)以百噸計，如果按固定墩沒有微量位移進行結構計算。大管徑固定墩的尺寸會非常大，甚至無法實施。土壤不是剛性體，埋在土內的固定墩，在推力作用下，事實上是會產(chǎn)生微量變形的，如果主觀不承認這個客觀事實，不是科學態(tài)度。建議采用允許固定墩微量位移的方法設計固定墩，以達到推力大幅度衰減目的，這一觀點已逐步被國內外接受。我校也已經(jīng)對這一課題進行了專題研究。通過理論計算、工程實踐研究表明：允許固定墩微量位移（一般控制在30mm內），可以將固定墩承受的推力衰減50～70％。我們不僅在實驗室進行了模擬實驗，而且在內蒙伊敏河煤電集團、河南永城煤電集團等大管徑管道工程進行了實踐，取得了預期成果，前不久某市大管徑管道工程，計算固定墩承受的推力600多噸，按一般結構確定的固定墩尺寸之大，在城市根本無法實施，經(jīng)過建議采用微量位移法，推力衰減到200多噸。