朔州钢套钢直埋蒸汽保温管道

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1济源供热工程由具有一定施工经验的公司负责施工,从2000年1月上旬投运至今已有一年多,直埋管保温一直较正常,温降10℃/Km左右,管沟地表温度接近环境温度,绿化树苗生长正常,业主较为满意,因此,该公司又进行二期工程保温工作。
3.2 ??供热工程从2000年3月中旬试运行,排潮从2000年1月中旬至今仍未有明显改观,甚至把岩棉喷出。保温材料经长时间暖管也未烘干,长期处于40全国化工热工设计技术中心站年会论文集
蒸煮的状态下,保湿材料导热系数会不同程度地增加,聚胺酯破孔、老化,又引起只耐70℃的玻璃钢老化、破裂,补口质量又不理想,反而产生连锁反应,恶性循环。岩棉经水泡、蒸汽蒸煮后,体积缩小不成型,而且上部岩棉少了,下部堆积的多了,起不到保温作用,玻璃钢承受不了高温而老化、裂缝,从而使补口密封失效,地下水会很容易浸入,因此笔者认为不从要害找问题,不从根本上解决隐患,排潮永远排不完,白白浪费人力、物力。2000年3月底对供热工程1.2Km 的管道进行扫描,查出共有6处管沟地表温度高达46℃-47℃,30℃以上有24处,个别地方达到70℃,当时的环境温度为14℃,所测地段为图2结构的地段。从现场实际看到图3结构的地段还不如图2结构的地段。到夏季当地面温度达到30℃-40℃时,管沟地表面温度普遍会超过50℃,这样就会形成“冬季一条白龙,夏季一条火龙”,小则三年,多则五年,整个管网将无法正常运行。
该工程从投运开始存在的问题就未能解决,且越来越严重,甚至连带“病”运行都不可能了,因此业主不得不停止运行,花费大量的人力、物力,2000年下半年挖开管沟重新对全线管道进行保温大修复,全部换成钢外护层,保温材料仍采用原来的,由于施工经验不足,目前仍有不少排温管不断冒气,运行效果仍不理想。且不说以后会发生什么问题,就直接和间接经济损失就很可观,影响也不好。施工单位工程款未能如数到位,算交了学费。
四结束语
从以上两工程实例可看出,高温蒸汽管道的直埋敷设必须采用憎水性的,而且是憎热水、耐煮沸的玻璃钢应具备耐高温120℃的材料组成的层层防水的保温结构,这样一但某个环节出现质量问题,不至于迅速蔓延到全线整个管段。
各补口的施工,不得带水、带汽操作,且必须保证有一定的固化时间,才能复土,要有严格的操作规程。
文章中所介绍的两工程实例,一个工程按设计采用了较好的保温材料,层层防水的保温结构进行施工,另一个工程在未征得设计同意的情况下,更改了设计,采用了不适合蒸汽管道直埋敷设的吸水性材料,并由不耐高温的玻璃钢组成的结构施工,当然也有施工方法和施工经验的问题,因而两工程效果不同,后者遗留下来隐患将很难解决,教训是深刻的。另外,建设单位要给予施工单位足够的施工时间,不能违反科学抢进度。笔者认为在具备上述条件的情况下,是可以搞好的。钢套钢蒸汽直埋保温钢管具有高效保温、防水、防腐、绝热、隔音、阻燃、耐寒、防腐、容量轻、强度高、施工简便快捷、不怕植物根刺等优异特点,已成为建筑、运输、石油、化工、电力、冷藏等工业部门绝热保温、防水堵漏、密封等不可缺少的材料。那么钢套钢蒸汽直埋保温钢管价格是多少呢?
钢套钢蒸汽直埋保温钢管的价格行情和市场钢材的价格有着密切的关系,钢材价格如果上涨升高,保温钢管的价格也会随着钢材价格的增长而升高;反之则亦然。钢套钢蒸汽直埋保温钢管的价格还跟钢管的规格尺寸有关,根据钢套钢蒸汽直埋保温钢管不同规格尺寸,钢套钢蒸汽直埋保温钢管的价格也从几十元到几百元不等。
直埋保温钢管自三十年代聚氨酯合成材料诞生以来,一直作为一种优良的绝热保温材料而得到迅速发展,其应用范围也越来越广泛,更由于其施工简便、节能防腐效果显著。钢套钢保温管有很强的防水和耐腐蚀能力,可直接埋入地下或水中防腐不锈钢蒸汽保温管,综合造价低。钢套钢保温管正常运行后130℃的水输送到40公里以外时,降温仅为1℃左右。
直埋管道的保护管的首要问题是严密防水的可靠性,此外要有良好的机械强度,钢套管由于强度高,采用焊接连接,防水的密封性能可靠性十分高,另外,其耐高温性能也是其它外保护管所不能比拟的。在地下水位高的地区,为保证地下水不影响蒸汽直埋管道的正常运行,外保护层好采用坚固,密闭的钢管外壳。
外壳管固定墩通常叫外固定墩,是固定外壳管的。其功能是防止或限制外壳管发生热位移,使沿干管径向外伸的分支管、疏水管、排潮管等不因为干管在轴向出现明显位移而被破坏;另一项功能是隔离轴向力,保护外套弯头。外套管采用高密度聚乙烯的,不需要外壳管固定墩。因为塑料管不发生明显热位移。玻璃钢外壳管也不发生明显的热位移,不产生明显的危及弯头套管的应力,所以也不需要设外壳管固定墩。钢制外套有时会产生较大热膨胀量,弯头套管的应力也可用聚氨酯保温的管道已经成功地在上应用了三十多年,硬质聚氨酯泡沫具有的隔热效果,同时具有的机械性能、高的抗热性能和低的吸水性,因而非常适用于管道保温,特别是直埋式热力管道。从敷设方式来看。传统保温管采用的是地沟及架空的敷设方式,工程造价高,施工时间长。但是聚氨酯预制直埋保温管采用的是直埋式敷设方式,占地少,施工简便快捷,而且有利于环境的保护。从这三个方面,我们已经可以清晰看出了聚氨酯预制直埋保温管与传统保温管的区别。
根据直埋热水管道和直埋蒸汽管道的不同特性,介绍了两种管道的
应力验算及强度计算,并对两种直埋热力管道的敷设方式和保温结构进行了
分析比较。
关键词:直埋热水管道;直埋蒸汽管道;应力计算;保温结构
1、概述
国内外热力管道直埋技术的发展已经有 60 多年的历史。随着高分子有机材料的发展,20 世纪 50年代初,国外开始研制预制保温管,采用聚氨酯泡沫塑料作保温材料,以高密度聚乙烯作为保温管的外壳。由于这种保温管具有较好的防水性,因而可用于地下水位高、土壤潮湿的地区。国内在 20 世纪 50 年代曾经采用浇灌泡沫混凝土的管道直埋敷设方式,20 世纪 70 年代采用沥青珍珠岩保温的热力管道直埋敷设技术。1977 年对用沥青珍珠岩保温的直埋热力管道进行了无补偿直埋敷设实验。20世纪 80 年代出现了两种新型的预制保温管:一种是保温结构为氰聚塑形式的预制保温管,一种是管中管形式的预制保温管。目前这两种形式的预制保温管已大量生产,并广泛应用于城市供热管网及工矿企业。近年来采用复合保温管结构的直埋热力管道也得到越来越广泛的应用。
随着我国“热电联产”的迅速发展,热力管道敷设方式有了重大变革,目前对150℃以下的热水管道,几乎全部实现直埋敷设,经过多年的研究开发和实际应用,技术已比较成熟和配套,并已有相应的技术规程做指导。蒸汽管道直埋敷设近年来也得到了长足的发展。经过多年的探索,现已出现理想的预制直埋式耐高温复合保温管,并探索出一整套科学的、实用的蒸汽管道直埋敷设设计方法和节点处理技术措施。直埋热水管道和直埋蒸汽管道在设计、施工要求上均有很大不同。本文从两种管道的应力验算、保温结构等方面进行分析和比较。
2、应力验算
直埋热水管道和直埋蒸汽管道的应力验算均采用应力分类法[1]。应力分类法的主要特点是将管道上的应力分为一次应力、二次应力和峰值应力三类,并采用相应的应力验算条件。管道由内压和持续外载产生的应力属于一次应力,它是为了满足静力平衡条件而产生的。当应力强度达到甚至超过屈服极限时,由于材料进入屈服或静力平衡条件得不到满足,管道将产生过大变形甚至破坏。一次应力的特点是变形为非自限性的,对应力验算应采用弹性分析或极限分析。管道由于热胀、冷缩等变形受约束而产生的应力属于二次应力,它是为了满足结构各部份之间的变形协调而引起的应力。当部分材料超过屈服极限时,由于产生小量的塑性变形,变形协调得到满足,变形就不再继续发展。它具有自限的特点。对二次应力采用安定性分析。所谓安定性是指结构不发生塑性变形的连续循环,管道在有限量塑性变形之后,在留有残余应力的状态下,仍能安定在弹性状态。安定性分析允许的大弹性应力变化范围是屈服极限的两倍。峰值应力是指管道或附件(如三通等)上由于局部结构不连续或局部热应力效应产生的应力增量。它的特点是不引起显著的变形,是一种导致疲劳裂纹或脆性破坏的可能原因,必须根据管道整个使用期限所受的循环荷载进行疲劳分析。但对低循环次数的供热管道,对在管道上出现峰值应力的三通、弯头等局部应力集中处,可采用简化公式,计入应力加强系数进行应力计算。
在计算中,直埋供热管道的一次应力的当量应力不应大于钢材在计算温度下的基本许用应力[σ];二次应力及一次应力的当量应力变化范围不应大于钢材在计算温度下基本许用应力[σ]的三倍;管道局部应力集中部位的一次应力、二次应力和峰值应力的当量应力变化幅度不应大于钢材在计算温度下基本许用应力[σ]的三倍。
根据安定性理论,当直管段的当量应力变化范围满足下列表达式的要求时,管系中允许有锚固段存在:σj=(1 -v)σt-αE(t2- t1)≤3[σ](1)式中σj ———内压、热胀应力的当量应力变化范围,MPa;
v———钢材的泊松系数;
σt ———管道内压引起的环向应力,MPa;
α———钢材的线膨胀系数,m / m?℃;
E ———钢材的弹性模量,MPa;
t2———管道工作循环低温度,℃;
t1———管道工作循环高温度,℃;
[σ]———钢材在计算温度下的基本许用应力,MPa。
管道内压引起的环向应力σt按下式计算:
σt=P(D - 2δ)/ 2δ(2)
式中P——管道内压力,MPa;
D——管道外径,mm;
δ——管道壁厚,mm。
通过计算,供热管道介质温度不超过150 ℃时,仍然满足上述要求。例如:当t1=150 ℃、t2= 5 ℃、P = 1. 0 MPa时,D529 ? 9 管道和D575 管道的当量应力变化范围分别为368 MPa和355 MPa,而Q235 - A 钢管的基本许用应力的三倍为375 MPa。在工程应用中,集中供热热水温度通常低于150 ℃(如热水一次网供、回水温度通常为130 ℃/ 80 ℃,二次网供、回水温度通常为95 ℃/ 70 ℃),而集中供热蒸汽温度通常高于150 ℃(如热电厂对外供热蒸汽温度通常为300 ℃,集中供热站对外供汽温度通常为194 ℃),这表明直埋热水管道允许有锚固段存在,而直埋蒸汽管道不允许有锚固段存在,这一区别导致了直埋热水管道和直埋蒸汽管道在敷设方式和保温结构方面的不同。直埋热水管道由于允许有锚固段存在,因而可以采用无补偿敷设方式,其保温结构可以和钢制内管粘合为一体,一起锚固在土壤中;而直埋蒸汽管道不允许有锚固段存在,只能采用有补偿敷设方式,使温差产生的轴向应力被补偿器或有补偿能力的管件平衡,其保温结构应和钢制内管脱开,以利于钢制内管的热位移。
3、直埋热力管道保温结构及性能
直埋热水管道由钢制内管、保温层和保护外壳结合为一体,保温层和保护外壳组成保温结构。保温管直埋地下,直埋热水管道保温结构除具有管道保温的功能外,还具有传递力、抵抗土壤压迫的功能。保温层和外壳必须具有足够的强度以克服土壤对管壳在管道径向产生的压力和管道在土壤中横向位移时土壤对管壳的挤压,保证保温结构形状完整;DN500 埋深1. 5 m,管道承受约37. 2 kPa 的压力,如管道有径向(横向)位移,每位移 1 mm,所承受的压力有 3 ~ 4 kPa (管道四周为粉质粘土或砂质粉土,回填密实度为 90% ~ 95%,土壤横向压缩反力系数取3 ? 10 ~ 4 ? 10 N / m3),因此规范中要求保温层具有大于200 kPa 的抗压强度。外壳、保温层和钢管相互之间的粘结强度也是保证保温结构完整所必须的。直埋供热管道的保温层需要能传递剪切力,以克服管道轴向位移时土壤对管道外壳的摩擦力。单位长度直埋敷设预制保温管的外壳与土壤之间的摩擦力,按下式计算:
F =πρgμ( H   D
c / 2)D
c
(3)
式中F———轴线方向每米管道的摩擦力,N / m;
ρ———土壤密度,kg / m3;
g———重力加速度,9. 81 m2/ s;
μ———土壤与管壳之间摩擦系数;
H———管顶覆土深度,当H > 1. 5 m时,取1. 5 m;
D
c
———管外壳直径,mm。外壳与保温层粘结的牢固程度以及保温层与内钢管粘结的牢固程度都应证传递轴向剪切力,其剪切强度为:
τ = F max/πD c=ρgμmax(H   D c/ 2)(4)
式中F
———土壤与管壳大摩擦力,N / m;
max
μmax———土壤与管壳之间大摩擦系数。
经计算,对 DN20 保温管保温层与内钢管表面粘结抗剪强度必须大于
37.2kPa。对于DN500 保温管外壳与内保温层粘结抗剪强度要大于13. 6 kPa,因此,规范中要求保温层剪切强度(含与内管和外壳粘结)大于或等于120 kPa。
与直埋热水管道不同,直埋蒸汽管保温结构国内外基本上均是采用脱开式,即钢制内管与保护外壳之间在运行中有轴向位移。目前主要有以下几种形式:无机 - 有机复合型(其组成由内至外依次为钢制内管—减阻层—无机保温层—有机保温层—外护套管),纯无机型(钢制内管 - 无机保温
层- 空气层—外护套管),双套管复合型(钢制内管—无机保温层—空气层—内套管—有机保温层—外护套管)。前者为内滑动式,即钢制内管与保温层之间通过减阻层隔开,减阻层作为滑动面;后两者为外滑动式,即保温层与外护套管之间通过空气层隔开,空气层作为滑动面。减阻层通常选用硅酸铝纤维,无机 - 有机复合型的无机保温层应选用硬质保温材料,如硅酸钙;纯无机型和双套管复合型的无机保温层宜选用半硬质纤维类保温材料,有机保温层选用聚胺酯,外护套管可为高密度聚乙烯套管、玻璃钢套管和钢套管,采用钢套管时,应做外防腐,必要时加电化学保护。
结语
直埋热水管道和直埋蒸汽管道的应力验算均采用应力分类法,但由于这两种管道的工作温度不同,使得这两种管道的敷设方式和保温结构都不相同,设计时应加以区别.1 在蒸汽直埋管道中,采用补偿器进行管道的热补偿,实践证明是有效和科学的。特别是我国近年设计、制造、开发热网用补偿器取得骄人的进步:大补偿量、小刚度、变推力、平衡式以及不设井室全封闭、自导向、抗扭曲直埋波纹膨胀节和单密封、双密封、柔性填料套筒式补偿器相继推出,SEBF(环氧粉末喷涂)高防腐性以及密封防水封端设计、无约束直埋技术,极大地为城镇供热直埋蒸汽保温管道的发展推广做出贡献。目前П型(方形)补偿器在直埋管道因占地大、躲障困难很少应用,球型、铰链补偿器虽然变形应力小、流体阻力也小,但因结构复杂、密封困难,出现事故难维修,在直埋管道中极少应用。