旋转补偿器直埋钢套钢蒸汽管道中的应用

一、概述
1、蒸汽管道直埋技术
蒸汽管道主要用于输送工业蒸汽和满足部分采暖需求。近年来，随着集中供热事业的蓬勃发展和城市现代化建设要求的逐步提升，原有架空形式虽有诸多优势，但其在城市内实施存在着较大的局限性，因而，蒸汽管道直埋技术得以迅速发展和完善。
在此期间，科技人员、生产厂家在直埋蒸汽管道技术的研究、开发、应用等方面，付出了大量心血，选用了几乎所有适用的材料，也取得了长足进步，出现了大量的管道设计理念和结构形式，较好地解决了力系分解与固定形式、合理的补偿方式、保温结构与热桥处理、施工工艺及运行工艺等。
目前，得到业内人士较为认可和推广率较多的直埋蒸汽管道形式为：钢套钢直埋。其固定方式一般选用钢套钢内固定支架，补偿器常规选用无约束轴向型直埋补偿器，保温选用内滑动（或滚动），好一点的对补偿和固定等节点处防热桥处理。这种结构形式，我们半岛供热公司应用了近10年，但实践过程中发现存在较多问题，主要有：
①轴向型波纹补偿器因其结构特性不耐水击，带来管道安全性较差。长年稳定负荷运行管道略好，负荷变动大经常启停管道尤其严重，出现问题较多。
②轴向型波纹补偿器补偿量相对较小，补偿管段短，同一管系补偿器数量应用多，并很难做到与管道同寿命，因其质量问题和实际使用工况条件变化，达到15年以上的很少，部分不足10年已先后出现问题，因而管系二次建设更换费用较高。
③工作温度变化对补偿量、刚度和工作压力均需要修正，因而其实际工况运行中出现问题几率较大。、管系设置及工艺 1、设计原则及注意事项：
①着重于管系合理分解，优选稳定组合形式。补偿装置设置点优选地上设置，确实无法地上时，应详尽考虑设施的防水性能和管系的疏水设置。
②长直敷设宜设置成半地上“Ω组合”形式；有Z型折向管段可采用半地上的“∏型组合”，也可采用全地下的倒“∏型组合”；L拐点管段宜设置成单侧“∏型组合”。
③采用“△”型内滚动支架，主要起平衡同心支撑作用，但同时也起到导向做用，限定了其工作管的侧向位移，应用“∏型组合”时，关键点是需着力规避离心摆动值Y的影响。
④补偿管段长度建议略小于常规架空管长。选取一合适结合点，既实现长距离补偿，又保证安全运行。
旋转补偿器直埋钢套钢蒸汽管道中的应用

2、管系形式及各自控制点。 （1）“Ω组合”形式：
①鉴于地埋钢套钢管外套与支架限制工作管侧向位移的局限性，建议直埋优选此种形式，因其不存在径向位移，且补偿管段长度基本不受影响。
②布置方式：补偿器组合两侧钢套钢支架内滚动支架尽可能距旋转臂近一些，蒸汽流向的前端设置疏水器，该侧支架距外套管端长度L＞单侧伸缩长度△+800mm，另一侧支架距外套管端长度L＞单侧伸缩长度△+300mm。既起到支撑作用，同时又做为导向支架，增加自由管系运动时的稳定性。两支架间不设支柱，但选用热压弯头，并加高一级压力等级。
③使用该组合进行直埋管设计时，建议采用半地上形式，如采用全地下方式，由于旋转臂向下，一方面，相当于管系中的沉淀池，易沉积吹扫不净杂物、停运腐蚀物和凝水，对补偿器正常运转造成如文登铺头热电厂至西区φ377主管道原设计280℃，施工后运行参数调整为320℃，此时如选择轴向型补偿器，肯定无法运行（温度提升后，相应刚度减小、补偿量增大、当量工作压力增大）。

④施工同心度要求严格，在同一补偿管段内如超出偏差量，则易发生波纹损坏而致泄漏。 ⑤保温结构的不完善，特别是外防腐层出现泄漏（地下腐蚀严重）等问题带来的管系失稳。 基于此，我们针对实际情况，做了大量实践研究，力求寻找更加合理的补偿装置进行替代旧有模式。
2、旋转补偿器的应用
旋转补偿器是近年发展起来的一种新型的管道补偿器，并在具体的制造和实践过程中逐渐成熟。其工作原理简言之，就是利用空间杠杆转动原理进行旋转补偿的机理吸收管道热位移。因其具有补偿量大（常规200——500m）、无内压推力（固定支架小）、安全性好（不受管网压力和温度变化而导致的补偿极限破坏）、设计简单补偿设置灵活多样、密封性能好（无类似波纹等薄弱部件）、与管道同寿命、综合投资少等优点，而逐步得到业内人士的认可和应用，发展较快。
我公司在良好了解旋转补偿器性能的基础上，结合原有直埋工艺，对将旋转补偿器应用于蒸汽直埋方面进行了系统研究和实践，并对相关作法小有归纳，现总结部分粗浅认识，以供参考。

二、管系设置及工艺 1、设计原则及注意事项：
①着重于管系合理分解，优选稳定组合形式。补偿装置设置点优选地上设置，确实无法地上时，应详尽考虑设施的防水性能和管系的疏水设置。
②长直敷设宜设置成半地上“Ω组合”形式；有Z型折向管段可采用半地上的“∏型组合”，也可采用全地下的倒“∏型组合”；L拐点管段宜设置成单侧“∏型组合”。
③采用“△”型内滚动支架，主要起平衡同心支撑作用，但同时也起到导向做用，限定了其工作管的侧向位移，应用“∏型组合”时，关键点是需着力规避离心摆动值Y的影响。
④补偿管段长度建议略小于常规架空管长。选取一合适结合点，既实现长距离补偿，又保证安全运行。
2、管系形式及各自控制点。 （1）“Ω组合”形式：
①鉴于地埋钢套钢管外套与支架限制工作管侧向位移的局限性，建议直埋优选此种形式，因其不存在径向位移，且补偿管段长度基本不受影响。
②布置方式：补偿器组合两侧钢套钢支架内滚动支架尽可能距旋转臂近一些，蒸汽流向的前端设置疏水器，该侧支架距外套管端长度L＞单侧伸缩长度△+800mm，另一侧支架距外套管端长度L＞单侧伸缩长度△+300mm。既起到支撑作用，同时又做为导向支架，增加自由管系运动时的稳定性。两支架间不设支柱，但选用热压弯头，并加高一级压力等级。
③使用该组合进行直埋管设计时，建议采用半地上形式，如采用全地下方式，由于旋转臂向下，一方面，相当于管系中的沉淀池，易沉积吹扫不净杂物、停运腐蚀物和凝水，对补偿器正常运转造成
④补偿装置设置及与钢套钢外套管衔接。补偿装置因外形较大，并考虑与外套管连接防水问题，一般我们采用半地下钢水箱形式，以焊接方式连接，地上采用类似于小型变电箱变的封闭形式。水箱外侧采用玻璃钢防腐。安装时采用井点低位排水、整体预制（地下、地上两件套）下装模式，安装后与外套连接并局部防腐。
（2）“∏型组合”：管系布置：加长中间旋转臂L长度（一般要求L＞2.5Lmin，Lmin为架空许用小长度），小口径管道在旋转中轴设置支架，并将两侧钢套钢内滚动支架尽量向外移位，两支架单侧展开长度为0.7倍的管道水平布置跨距；大口径管道或L超过4米的旋转臂在两立臂旋转轴分别设置两处支架，支架至两侧滚动支架的间距以管线展开长度0.7倍的管道水平布置跨距为宜。
目的尽可能减少旋转角θ，限制Y值过大，减少支架对钢外套产生的附加扭矩。见图一。
综合考虑地质可能局部沉降、管道内滚动卡涩、旋转角θ过大造成离心摆值过大产生较大扭矩、内部位移量过大对保温的破损影响等，尤其是针对该种形式地埋，其大跨距宜不超过架空固定间距的70——80%。推荐直埋固定支柱间大跨距

③采用该组合进行直埋管设计时，可根据需要采用半地上或地下模式，因地下形式，其转动轴并没有转动部件，因而只需在低位合理设置疏水装置即可，该疏水装置建议采用启动疏水和经常疏水并联形式设置，并合理设置沉淀池和引出疏水管。

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影响；另一方面，埋深增加太大，维修及防水难于处理。
④补偿装置设置及与钢套钢外套管衔接。补偿装置因外形较大，并考虑与外套管连接防水问题，一般我们采用半地下钢水箱形式，以焊接方式连接，地上采用类似于小型变电箱变的封闭形式。水箱外侧采用玻璃钢防腐。安装时采用井点低位排水、整体预制（地下、地上两件套）下装模式，安装后与外套连接并局部防腐。
（2）“∏型组合”：
①管系布置：加长中间旋转臂L长度（一般要求L＞2.5Lmin，Lmin为架空许用小长度），小口径管道在旋转中轴设置支架，并将两侧钢套钢内滚动支架尽量向外移位，两支架单侧展开长度为0.7倍的管道水平布置跨距；大口径管道或L超过4米的旋转臂在两立臂旋转轴分别设置两处支架，支架至两侧滚动支架的间距以管线展开长度0.7倍的管道水平布置跨距为宜。
目的尽可能减少旋转角θ，限制Y值过大，减少支架对钢外套产生的附加扭矩。见图一。
②综合考虑地质可能局部沉降、管道内滚动卡涩、旋转角θ过大造成离心摆值过大产生较大扭矩、内部位移量过大对保温的破损影响等，尤其是针对该种形式地埋，其大跨距宜不超过架空固定间距的70——80%。推荐直埋固定支柱间大跨距：
管道公称直径 ≤200 250、300、350 400、450、500、600 ≥700 直埋钢套钢（m）≤
200
240
280
320
③采用该组合进行直埋管设计时，可根据需要采用半地上或地下模式，因地下形式，其转动轴并没有转动部件，因而只需在低位合理设置疏水装置即可，该疏水装置建议采用启动疏水和经常疏水并联形式设置，并合理设置沉淀池和引出疏水管。
④补偿装置设置及与钢套钢外套管衔接。

（3）固定支架及滚动结构

①固定支架采用：采用防热桥内固定支架详见图二。

套管常规定尺12米，每根设置两个支架，其距旋转臂的个滚动支架的长度一般为3m，接近补偿装置的钢管按设计要求预制，考虑管系稳定性和施工穿管方便，一般要求滚轮与外套管之间每侧留有4——6mm间隙。
（4）保温结构：
管道保温结构需具备如下性能：①因补偿管段长、补偿量较大，需要确保外套管内腔保温良好运动。②从节约角度不能使外套管过大。③保温结构完整，能切实起到保温作用。④为确保管系运行良好，不能发生泄漏，外防腐需完整无损。
基于上述原则，通过多种材料的综合研究，我们选定做法如下：

②外防腐部分：前述保温结构因需留有间隙而常规减小了保温结构层，因而外套管除锈后在外部采用聚氨酯喷涂工艺进行增强保温层10——20mm，再用玻璃钢缠绕方式制作外防腐层。该工艺中聚氨酯喷涂层同时起到与外套管紧密结合作用。
（5）主要特点：
①管道补偿管段长，地下易损件少，安全性好，补偿装置维修保养方便，另外，通过加强管道焊接工艺，几乎做到运行零隐患。
②保温结构完整，不但保温效果可以得到保障，而且管道因防腐结构处理较好，发生进水造成管道运行失稳的情况也得到有效控制。
③因旋转补偿器的特性，管系对于温度、压力变化的适应性较好，管道更加安全可靠。 三、结论和拟进一步研究的问题
通过上述管道与保温工艺的互相衔接，较有效地使旋转补偿器良好应用于直埋蒸汽管道。从07年、08年陆续施工的主蒸汽管道运行情况看，我们选择的结构还是很合理的。