钢套钢直埋蒸汽管道设计要点

钢套钢直埋蒸汽管道设计要点

1直埋蒸汽管道设计问题的提出长期以来，国内外的长期实践表明，在各种结构的直接埋收蒸汽管道中，只有钢固定结构才能更有效地保证直埋蒸发管道的长期安全运行。但是,过去已建成的钢套钢直埋蒸汽管道问题甚多。据了解,在国内已建成的钢套钢直埋蒸汽管道中,带病运行的约占工程总数的40%,3～5年内报废的约占工程总数的15%。此外,在已建成的钢套钢直埋蒸汽管道工程总数中,至少有50%达不到25年设计寿命。也就是说,合格工程不到50%。出现上述问题的原因可分为三方面:一是制造厂的管件设计和加工质量的问题;二是设计院的施工图设计问题;三是施工质量问题。一般不存在运行操作方面的问题。本文根据笔者近年来对直埋蒸汽管道的设计、制造、施工和运行等方面的体会,仅谈一谈施工图设计中的几个要点和建议,希望能为直埋蒸汽管道的设计者提供参考或帮助。有不当之处,请批评指正。2图纸设计的一些要点2.1外护管防腐引言中所述已建成的钢套钢直埋蒸汽管道工程有50%以上达不到25年设计寿命,主要是指外护管防腐问题。目前国内用于钢套钢直埋蒸汽管道外护管的防腐层有:环氧煤沥青、纤维增强环氧玻璃钢、三层PE、聚脲及溶结环氧粉末等。这些防腐层的优、缺点及特性如表1。防腐层的选择需要综合考虑耐温、强度、价格、寿命及补口等五个方面,外表是否美观并不重要。2.1.1中外护管温度《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》CJJ104-2005对保温计算的规定是要求外护管温度小于或等于50℃,但不等于外护管温度就不会超过50℃。事实上,在管道首次运行烘干保温材料的过程中外护管温度一般达到90℃～100℃。所以,在一些研讨会上不少专家提出钢制外护管防腐层设计和应力验算都需要按100℃考虑。专家们说的不无道理,目前国内确实因钢套管防腐层耐温达不到100℃被烧坏而失去防腐功能的不在少数。从表1看,若单从耐温的角度考虑,除三层PE外,其他四种都可以选择,且这四种防腐层机械强度都比较高。2.1.2采用改性pe和溶结环氧粉末+改性pe和溶结环氧粉末从价格上讲,环氧煤沥青、纤维增强环氧玻璃钢和聚脲三种防腐层比较合适,其防腐层成本比三层PE和溶结环氧粉末低一倍左右。“规程”要求直埋蒸汽管道设计寿命达到25年,从表1看,环氧煤沥青的寿命达不到要求,后三种的寿命都在50年以上,增强纤维环氧玻璃钢的寿命居中,仅可以满足25年的“规范”要求稍有富裕。2.1.3前后防腐制作工艺差别或大或小每一根管子和每一个管件都有一个接口,每一个接口都需要在施工现场做防腐。每一个接口防腐长度为400mm左右,现场补口防腐量约占防腐总量的5%。由于现场条件差、设备简陋,防腐制作工艺与工厂内制作工艺的差别或大或小。在表1中,前两种现场补口防腐制作工艺与工厂内防腐制作工艺差别较小,所以现场补口防腐制作质量与工厂内防腐制作质量差别不大,现场补口容易保证质量。而后三种防腐层的工厂制作工艺相对复杂,现场补口防腐制作工艺与工厂内防腐制作工艺差别较大,所以后三种防腐层现场补口防腐制作质量与工厂内防腐制作质量差别较大,这是个关键性问题。这个问题国内在高密度聚乙烯外壳热水直埋管道上也比较突出,由于接口质量不能保证,很多在接口部位进水将内管腐蚀。表1中后三种防腐层最好不要选用,不能只看工厂制作的防腐层技术指标而忽略施工现场现实性行成的总体防腐技术指标。2.1.4外护管防腐层的选择综上所述,如果钢套钢直埋蒸汽管道设计寿命15～20年,则环氧煤沥青做外护管防腐层是最佳选择;若设计寿命为25～35年,则选择纤维增强环氧玻璃钢做外护管防腐层。建议钢套钢直埋蒸汽管道外防腐层设计寿命不要超过30年,因为配套管件的设计寿命难以超过30年(一般为25～30年),外防腐层设计寿命过长是个浪费。2.2设计名份数2.2.1钢套钢直埋保温管的保温结构图1和图2是目前国内用的比较多的两种钢套钢保温结构。尤其是图2,不仅国内用的最多,而且国外大多钢套钢直埋保温管也都是这种保温结构。图2保温结构还有加不加铝箔反射层的区分和抽不抽真空的区分。当然保温效果最好的是加铝箔反射层并且抽真空。2.2.2外护管的性能图1结构的优点是:(1)由保温材料作支撑,不设滑动支架,不存在导向支架热桥;(2)由于聚氨脂泡沫塑料导热系数小,所以保温效果好;(3)聚氨脂泡沫塑料对外护管内壁有防腐作用;(4)由于聚氨脂泡沫塑料与耐高温微孔硅酸钙结合部的设计温度在100℃～110℃,且聚氨脂泡沫塑料不透气,所以在无机保温材料烘干过程中外护管不易升温超过50℃。图1结构的缺点是:(1)造价高。由于聚氨脂泡沫塑料导热系数小且耐温较低,聚氨脂泡沫塑料的厚度又不得小于30mm(太薄无法制作),所以微孔硅酸钙需要比较厚才能保证聚氨脂泡沫塑料不被烧坏。由于总体保温厚度大,造成外护管管径较大,所以造价较高;(2)固定支架推力大,支撑不可靠。虽然工作管与微孔硅酸钙之间有硅酸铝棉减阻层,但由于聚氨脂泡沫塑料在制作时对微孔硅酸钙的压力较大(2.5kgf/cm2左右),造成工作管伸缩时与保温材料之间产生较大的摩擦力,这个摩擦力需要固定支架来承受。固定支架推力大造成固定支架造价高,由于靠保温材料支撑工作管,所以支撑不可靠。(3)不便于排潮。蒸汽管道一般是露天施工,保证保温材料不被雨水弄湿太难了,特别是施工时间较长的大工程。图1结构没有排潮通道,排潮时蒸发气体容易对微孔硅酸钙产生轴向压力,造成瓦与瓦之间缝隙加大或破损,导致热桥现象,烧坏聚氨脂和防腐层。(4)现场保温补口质量难以保证。聚氨脂现场发泡属手工作业,内部容易产生空隙,质量不易控制。图2结构的优点是:(1)结构简单明了,技术成熟,造价低;(2)保温层内无缝隙,工厂保温制作质量可靠,在施工和运行过程中不容易损坏,所以保温层内不容易形成热桥;(3)由于采用了滚动支座,所以摩擦力小,工作管温变伸缩时运动灵活,支撑可靠;(4)便于排潮。即使保温材料被水侵湿,供热烘干后不影响保温效果;(5)现场保温补口质量有保证;图2结构的缺点是:(1)没有内防腐。图2结构国内都不作外护管内防腐,所以外护管的寿命估算为25～30年;(2)滚动支座有局部热桥。与图1相比,图2设置了金属滚动支撑,支撑可靠的负面影响就是金属支撑的局部热桥。2.2.3仅空气氧腐蚀条件下的管道热损失对于管径较小(<DN250)、工程量不大(<500m)、不在夏季施工、能保证施工过程保温材料不被水弄湿的工程,可考虑采用图1结构。图2结构技术成熟、造价低,从工厂加工到施工过程都不容易形成缺陷,选用图2结构更可靠。虽然图2结构外护管没有内防腐,但运行期内外护管内壁与工作管外壁之间的空间气温>45℃,其空间相对湿度较小,在外护管内壁不会结露而形成较严重的电化学腐蚀。在仅由空气氧腐蚀的情况下,腐蚀速度很慢,其腐蚀速度<0.15mm/年,所以一般壁厚的钢管做外护管,寿命可以达到25年以上。至于滚动支撑形成的局部热桥,滚轮与外护管内壁是点接触,热传递速度很慢。试验结果表明,介质温度300℃情况下,在图2结构中,若加三层铝箔屏蔽(不抽真空),管道热损失比不加屏蔽层降低20%左右;若抽真空至10mmPa(不加屏蔽层),管道热损失比不抽真空降低21左右;如果加三层铝箔屏蔽再抽真空至10mmPa(目前国内水平),管道热损失比不采取任何措施的离心玻璃棉降低26%左右。抽真空还具有减缓管道腐蚀速度的作用。应说明的是,介质温度越高,屏蔽保温效果越明显;真空保温效果随介质的温度增加而下降。笔者从投入、产出、可靠性、国内现有技术和施工水平等多方面考虑认为,对于介质温度250℃以下、敷设距离长、口径大的长年运行管道,可考虑屏蔽保温或抽真空二者选一;对于介质温度250℃以上、敷设距离长、口径大的管道,选择屏蔽保温;对于介质温度250℃以下、敷设距离长、口径大、夏季不运行的管道(外护管内壁易腐蚀),宜选用抽真空保温;对于介质温度250℃以上、敷设距离长、口径大、夏季不运行的管道,宜选用屏蔽与抽真空综合保温;无论口径大小或温度高低,对于节点多的复杂管道,都不宜采用抽真空保温。2.3外护管无补偿敷设方式《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》CJJ104-2005第6.1.4t条指出:“钢制外护管宜采用无补偿方式敷设”。事实上,国内外绝大多数钢套钢直埋蒸汽管道外护管都是按无补偿方式敷设的,引言中讲的15%报废率及40%带病率中多数也是因为外护管应力破坏而造成的。我们并不是否定外护管无补偿敷设方式,外护管无补偿敷设方式没有错,关键是需要在施工图设计、管件设计方面对外护管应力验算和在施工上对外护管的焊接质量高度重视。本文仅简述施工图设计的外护管应力验算问题。2.3.1外护管应力验算温度首先外护管要按无补偿敷设设计。在我国,对无补偿直埋敷设热力管道应力验算的研究与推广已是十年以前的事情了,可以说无补偿直埋应力验算早已成熟。但是,与过去研究的直埋供热管道有所不同,钢套钢直埋蒸汽管道的外护管有两个温度:初次运行烘干保温材料时100℃;以后多年的正常运行设计温度50℃,这个问题需要专题研究。在此专题未取得研究成果前,按《城镇直埋供热管道工程技术规程》CJJ/T-1998和100℃的温度对外护管进行应力验算,无疑是安全可靠的。过去不少人认为外护管温度只有50℃,土壤按15℃计算,温差35℃不需要进行应力验算。这种错误认识可从两方面说:一是外护管应力验算温度不应该是50℃;二是即使35℃温差也需要应力验算。如图3所示,直径为1000mm的外护管,中间有一个3m的小距离折弯,折弯两侧的直管线长度达到500m,两个弯头的曲率半径均为1.5D,经应力验算,这个小距离折弯不能满足强度要求,需要采取措施。笔者认为,保温材料烘干后,外护管应力验算温度也至少要按60℃计算。因为一是管件周围的外护管设计上限温度是60℃;二是设计外护管温度与实际运行外护管温度有一定差别,譬如土壤导热系数的实际值与设计取值的不一致、覆土深度也不可能与设计完全一致等,这些因素都可能造成外护管温度超过50℃。所以,应力验算温度要考虑10℃的安全余量。2.3.2补偿器加固方案过去由于设计不当造成外护管破坏的多数原因是类似于图3所示的小距离折弯没有采取适当措施。当小距离折弯应力验算达不到强度要求时,通常可采取的措施有:(1)在折弯附近加装直埋式补偿器或一次性补偿器;(2)对小折弯管件补强;(3)在小折弯附近两侧做固定墩。优先选择在小折弯附近(距小折弯12m～24m处,大管远一些)加装一次性补偿器,一次性补偿器的补偿量按100℃温度值计算,焊死后折弯应力按60℃温度值计算,若焊死后应力验算达不到强度要求,可采取补强措施。若采取补强措施达不到强度要求,再改为永久性直埋式补偿器,形成外护管局部有补偿直埋。一般不以采取做固定墩的方式来减弱外护管折弯处的应力,因为外护管在轴向的推力很大,做固定墩不仅投资大、施工周期长,而且往往因位置有限给固定墩制作造成困难。2.4党组织所查地下检查室冒汽的原因分析带病运行的钢套钢直埋蒸汽管道中,检查室冒汽属于不大不小的毛病,直埋蒸汽管道的检查室主要有疏水检查室和阀门检查室,这些检查室冒汽的居多,特别是雨天或高水位地区。检查室冒汽的原因一般是由外来水侵泡到高温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。外来水一是从检查室人孔进入检查室的雨水,二是通过检查室壁渗入检查室内的地下水。检查室防水做起来比较难。一是既能满足道路车辆的压力又十分密闭的市政井盖很难找到;二是要做到井圈与混凝土检查室顶棚、钢外护管与混凝土检查室壁的结合处滴水不漏也很难。所以,要想解决检查室冒汽问题,首先要从设计上减少检查室数量,对于必须存在的检查室,要从设计开始从根本上解决密封问题。2.4.1疏水装置的推广疏水装置过去大多是设计在两个疏水检查室内,一个检查室安装疏水装置,另一个检查室专门用于储存疏水装置排出的水。这种设计的弊端除了检查室进水冒汽外,疏水装置的检查与操作既不方便也不安全。由上海金山石化设计研究院设计的上海金桥热能有限公司的钢套钢直埋蒸汽管道,最早把疏水装置设计在地面以上,采用了上疏水装置,免去了疏水检查室,当然也就不存在疏水检查室冒汽的毛病,操作方便又安全,后来没有得以推广的原因是疏水装置露天设置有问题。再后来有人想到把疏水装置安装在美观的铁箱子内,在工厂制作,放在地面以上,效果很好。现在电信、电力等一些原来在地下井室的装置很多也放在地面上的铁箱子内,看来这的确是比较好的方法,我们的疏水装置也应该在这方面有更多的应用。2.4.2预应力管道设计与疏水装置不同,