厂家直埋式预制蒸汽保温管道的外护管及防腐层的研究与探讨

P—— 额定工作压力 MPa D—— 管外直径 mm  δ—— zui小管壁厚度 mm S—— 静压设计压力 MPa  SDR—— 标准尺寸比       经上式验算，基本全符合规范要求，蒸汽直埋管外护管可参照选用。    4 、玻璃钢外护管的zui小壁厚确定   玻璃钢材质的外护管，由于生产使用的原材料：树脂（环氧、不饱和树脂、聚酯等）、增强纤维、添加助剂及其成型工艺的不同，其性能有明显的差异。但总的来说，它与塑料外护管有许多相近之处，特别是与 PE/PP 外加玻纤增强复合管性能更是贴近。国外把它们统称增强塑料（玻璃钢）。    （ 1 ）增强玻璃钢外护管的蒸汽直埋管道其壁厚度，除要考虑钢管、塑管某些相同的必要因素外，由于它的性能特殊，拉伸破坏变化率仅 1.8~4.0%[18] （钢为 18% ， HDPE 为 350% 伸长度）是脆性断裂。这就要求我们，不单是考虑管道压力等级、设计工作压力、许用应力、外部静、动荷力，还要考虑管道的许用挠度（无压条件下，挠曲产生的应力或应变，不超过长期 30~50 年工作的应力或应变），核校管道的抗屈曲能力等。美国 AWWA C950-88 制定对地下埋设玻璃钢管设计准则。从理论计算到设计系数的正确设定和经验参数选取都有助于管道设计的成功。安装工程参数的正常选择确定，土壤类别密实度，土壤的挠度系数，反力模量 ?? 都是管道zui终实施成功十分重要和必须的。    （ 2 ）美国 AWWA C950-88 标准附录 A 详细的讨论了地下埋设玻璃钢管的设计准则，我们可借鉴参考直埋蒸汽管道外护管设计。       这里有五点须指出：   ① 与刚度有直接关系的许用挠度（垂直方向许用挠度）是设计的一个极重要的参数，刚度值为 S ：     E—— 管道弯曲弹性模量 N/mm2  I—— 单位长度管环弯曲惯性矩 mm4/mm   D—— 平均管径 mm D 外 —— 外护管的外径 mm  F—— 单位长度载荷 N/mm D 内 —— 外护管的内径 mm  ΔY—— 垂直方向许用挠度 mm    ② 地面管道与地下管道设计有很大差异，所有设计中的设计系数（安全系数）均 >1.5 ，通常取 1.8~2.0 。设计校核中的许用挠度是以计算管道无内压时为基准，挠度产生时应力不超过长期（ 50 年）许用应力值；    ③ 管道的挠度严格规定 <0.05D 极限值，一般为 0.03D;    ④ 管道的壁厚指纤维增强壁厚部分，其纯树脂部分不计在内；    ⑤ 考虑到外护管承受外部的冲击压力与其管壳环向拉伸弹性模量及厚度 / 直径比有很大关系，通常玻璃钢外护管抗冲击压力比高模量金属管道为低。一般取 即 t=0.01D 来保证玻璃钢管抗冲击能力。  
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玻璃钢管总壁厚 δ=t+tr t—— 纤维增强壁厚度 mm tr—— 树脂内衬层壁厚度 mm       国外缠绕玻璃钢增强聚乙烯（ VPE ）外护管，其性能较 PE 有重大改进，耐热性达 110℃ ，且电阻率 >1012Ω·m 。 50℃ 许用应力在 7MPa 时，其管壁厚度* PPI 协会 SDR 规范要求。使用寿命达 30 年 [ 见拙文 1998 年第六期《新型建筑材料》 ] 普通直接缠绕的玻璃钢外护管（ FRP ）因国内各生产厂家技术要求不同而差异很大。表 5 列出主要各厂家管壁厚值。    表 5 几个主要生产厂玻璃钢管（ FRP ）壁厚规格。 ( 略 )       从上表可清楚看出，我国用玻璃钢做外护管的壁厚，刚度大的小管径管还好，对于 >300mm 规格，特别是 >450mm 管道普遍偏低，均 0.01 ，只有国外引进技术的厂家，正规产品外护管壁厚 ≥0.01 。       壁厚偏薄，要保证长期工作 15 年以上，是潜存有问题的。这也是我国近年玻璃钢外护管的蒸汽直埋管事故多发的重要原因之一。  

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六、外护管的使用温度和设计温度确定   直埋式预制蒸汽保温管，一个十分突出的问题，即管道安装，试运吹扫或运行中突然发生保温管的保温层进水或是内钢管（芯管）蒸汽泄漏，使之外护管温度超过原保温设计时 50℃ 、 60℃ ，而达 80℃ 、 100℃ 或更高，对管系带来的严重影响，其管道还能否短时间承受这一冲击，继续运行的问题。    各种材质的外护管的蒸汽直埋管道，在保温设计时，通常均按照埋地管外表面温度（控制温度） 50℃ ，zui高 ≯65℃ 计算保温厚度。    因材质不同，实际外护管的使用温度范围差别很大。 CJJ/T-114 标准规定 HDPE 为 -50℃ ～ 50℃ ， CJJ/T129 规定 FRP 为 -50℃ ～ 65℃ 。拙文 [ 直埋式预制保温管外护层材料的分析研究 ] 中已指出：   HDPE 使用范围是应力、温度的函数，根据温度一应力一寿命曲线可查出 [21] ：  30℃ ， 5MPa 时 50 年寿命，随使用温度升高，  40℃ ， 5MPa 时 17 年寿命，  50℃ ， 5MPa 时 12 年寿命。   如相应应力减小，相同温度下其管道的寿命可延长：  40℃ ， 4MPa 时 28 年，  40℃ ， 3MPa 时 >50 年寿命。    增加塑料玻璃钢 FRP 其属性也类似，温度影响颇大，随温度升高，强度下降，寿命衰减加速。    实践和理论计算表明，对塑管和玻璃钢外护管，将发生随温度的升高，材料破坏趋向严重，超过材料高温下长期使用（ 30 ～ 50 年）的许用应力，许用挠度，发生屈曲破坏，管道失效须更换；对钢质外护管，只要设计结构合理，按 100℃ 或 120℃ 状态设计，管壁厚度、焊缝强度、满足此温度下的使用强度和应力值就可保证管道系统能继续运行。外护管的防腐层虽有可
能部分老化或破坏，进行修复还可应用。 这也正是钢质外护管zui突出的优点所在，这点国内多处工程如宁波、洛阳实践已充分得到证实，其安全性、可靠性和经济性。  

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 七、结论   1 、直埋式预制蒸汽保温管的外护管是保温结构中 — 复杂和极为重要的组成部分，是管系寿命经济性、安全性、可靠性重要所在。很有必要深入研究和探讨。只有充分、全面的认识，科学分析，严格的计算，才通正确的设计或选择。    2 、严格遵守工程准则 —— 安全可靠原则，进行材质、结构、应力分析和防腐技术设计，对设计中安全系数（设计系数）要考虑到环境、操作因素的多变性或意外非正常状态，要留有充分的裕量。    3 、钢质外护管*其优点，特别是对于采用直埋管道新技术如内固定（位移）支座等，有保证作用。除能进行力的传递外，节约土建工程投资，加速施工速度，保证施工质量、作用突出明显。    4 、为杜绝不应该发生的各种恶性事故，各种类型的外护管壁厚应严格规范要求，绝不能降低，随意减薄。特别是玻璃钢外护管，应以增强纤维层厚度来做应力计算或分析。钢外护管其壁厚设计也应考虑非正常 100~120℃ 下许用应力、强度要求。    5 、严格控制使用温度，是保证管道安全运行的根本。具有保护性能的外护管其耐温程度一定要留有安全余度。钢外护管 100 ～ 120℃ 下材质强度几乎无变化，在 <350℃ 材质变化也不大，适用高温蒸汽直埋管采用。高密度聚乙烯或玻璃钢外护管超过 50℃ 全都随着温度的升高，强度降低，屈曲应力增大，压缩、弯曲、变形破坏可能性愈大，寿命缩短。特别是相对刚度小而管径大管道变化尤为突出。