直埋蒸汽管保温设计

随着国民经济的发展和环保要求的不断提高，热电联产集中供热因其效率高、环境 污染小而得到广泛应用。供热管道的直埋敷设又由于其占地面积小、不影响市容景观和城市 规划、建材用量和土建费用少、热损耗低等优点，在集中供热领域引起各规划、建设部门和 工程界的广泛重视和应用。热水管道的直埋敷设技术在我国已得到广泛应用；但是高温（>150 ℃）蒸汽管道的直埋敷设技术在国内还处于起步探索阶段。

 1 管道安装方式的选用

1 管道安装方式的选用

直埋敷设的供热管道根据管系是否安装补偿器，可分为有补偿安装和无补偿安装， 选择时主要根据管道中热媒温度的高低。由于蒸汽管道温度大多超过 150 ℃，热伸长量、 热胀应力、盲板力较大，采用无补偿安装方式，已不能满足管系的热膨胀性能及管材应力的 安全性要求。按照《城镇直埋供热管道工程技术规程》（CJJ/T 81-98）的要求，直埋热力 管道的直管段的当量应力变化范围应满足式(1)： δj=(1-ν)δt -αE(t2-t1)≤3［δ］(1)式中 δj——当量应力变化范围，MPa 

ν——钢材的泊松系数

α——钢材的线性膨胀系数，m/m·℃ 

E——钢材的弹性模量

t1——管道工作循环较高温度，℃

 t2——管道工作循环较低温度，℃

 δt——管道内压引起的环向应力，MPa

 ［δ］——钢材的基本许用应力，MPa 按照式(1)，若循环较低温度按停运时的 10 ℃计算，则管道工作循环较高温度 t 1 允许达到 150 ℃,而大多直埋蒸汽管道的温度大于 150 ℃,如河北省电力勘测设计研究院 设计的正定热网工程的设计参数为：设计压力 1.27 MPa，设计温度 350 ℃，其直埋不能像 2 直埋热水管道一样允许有锚固段的存在，其设计中必须考虑整个管系热应力释放措施，即采 用分离式的保温结构和在管系上安装补偿器，允许管道产生热位移。

 国内多例工程蒸汽直埋敷设都采用了有补偿的安装方式，投产后运行状况良好，如： 河南开封经济开发区供热工程(设计压力 0.6 MPa，设计温度 265 ℃）;石家庄经济技术开 发区蒸汽管道直埋集中供热工程(设计压力 0.98 MPa，设计温度 280 ℃）;武汉东湖开发区 热电公司集中供热工程(设计压力 1.6 MPa，设计温度 320 ℃），临沂市集中供热工程（部 分区段）(设计压力 1.0  MPa，设计温度 300 ℃），滦南热网工程(设计压力 1.27 MPa， 设计温度 300 ℃）。因此，在实际高温蒸汽直埋工程中应采用有补偿的安装方式，以确保 管系的安全和稳定运行。

 2 保温层结构的设计

2．1 保温材料的选用 保温材料的选用 高温蒸汽管道的直埋敷设对保温材料及结构都。提出了较高要求。在实际工程设计 中，应根据不同条件（如介质温度、运行工况、地下水位、土壤特性等）进行认真比较。据 了解，高温直埋敷设蒸汽管道事故起因多是保温问题。如果保温材料不耐水煮沸，进入保温 层的水在被蒸汽加热到沸腾状态后，将沿管道迅速蔓延，造成无机保温层材料热软化和有机 保温层材料聚氨酯破孔软化，从而引起大范围保温材料破坏，导热系数急剧增大，严重时地 面会出现冒汽现象。由此可见，保温材料的耐煮沸及防水性能对高温蒸汽管道直埋敷设的安 全性和可靠性有很大影响，是保证蒸汽管道安全工作的关键问题之一。

直埋敷设的热水管道 常用的保温材料聚氨酯（使用温度 t≤120 ℃）和脲酸脂（使用温度 t≤150 ℃）及沥青珍 珠岩等材料都不能直接使用在直埋蒸汽管道上。实践证明，普通的直埋保温材料（如硅酸铝 纤维毡、岩棉、膨胀珍珠岩、普通的微孔硅酸钙制品等）是不耐热水及沸水的，有的遇水板 结，有的浸水松散。另外，聚氨酯泡沫塑料在 55 ℃左右的热水中即破孔软化，减少或失去 保温能力。所以，在蒸汽管道直埋工程的保温材料选择时应注意选择耐煮沸及防水性能好的 材料。关于此类材料目前国内有多种产品，如采用新工艺生产的防水型硅酸钙瓦和高密度无 碱玻璃棉，再如河南某公司的耐煮沸不吸水硅酸镁机制品，而耐煮沸不吸水改性的聚氨酯泡 沫塑料在多个工程的应用效果也都比较理想。其每 km 温降在 10%左右，管沟地表温度接近 环境温度，地面作物、植物生长正常。

2．2 保温层结构 由于高温直埋敷设的蒸汽管道所产生的热伸长量大，保温材料（如耐高温的聚氨 酯）无法承受，所以管道热胀冷缩保温结构在土壤压力下固定不动时，管道应能在保温层内 3 自由移动，以释放热应力，保证管系的安全性，即工作钢管与保温材料外壳不像热水直埋管 道一样是一个整体，而形成脱开式的管中管结构，一般在无机隔热层与钢管之间也要铺设一 层耐高温润滑剂，以减少摩擦力。 为了保证高温蒸汽直埋管道的安全运行，其保温结构通常采用保温复合结构。内滑 动的保温复合结构从里到外依次为：工作钢管、高温防锈层、无机润滑层、空气层、无机隔 热层、高温金属反射层、有机保温层、防水防腐外护层，在这种复合保温结构中，耐高温的 无机隔热层将其表面温度限制在外层有机保温材料允许的安全温度以下（<150 ℃），无机 润滑层和空气层减少了钢管在热胀冷缩时的摩擦力，防水防腐的外护层通常是耐腐蚀、耐压 强度高的玻璃钢或钢套管。图 1 为外滑动式的保温结构，从里到外依次为：工作钢管、高温 防锈层、无机保温层、空气层、防水防腐外护层。防水防腐的外护层通常是钢套管。 

2.3 保温层的排潮管设计

高温蒸汽直埋管道复合保温层结构的排潮管设计好坏，直接影响到保温层内潮气的 排出，进而影响保温效果。高温蒸汽直埋管道复合保温层的制做应在工厂内完成，现场只进 行接头的处理。尽管在制做过程中，对保温材料等要进行烘干，但是由于在制做、运输、堆 放等过程中，都可能造成外部水分进入保温结构内部，因此合理的设置排潮管，在暖管排潮 期间保证内保温层中的潮汽迅速排尽是直埋管道可靠运行的一个必要措施。排潮管的直径范 围通常为 20～50 mm，可视工作的管径和排潮管设置的间距（通常在 30～50 mm 左右）确定。 排潮管在工作管道上的位置应设置在管道位移较小处（固定支架附近），否则应采取有效措 施防止其热位移时破坏保温层结构，排潮管的引出位置可引至专设的小井内或地面上。引至 地面上时应防止影响交通或潮汽烫伤行人，同时还应考虑排潮管的防灌（雨）水措施。4 排潮管与工作管的相对关系有 3 种：在图 2(a)中排潮管末端和工作钢管直接焊接， 较为简洁；图 2(b)中排潮管绕工作钢管一圈焊接，其效果较好；图 2(c)中排潮管沿工作钢 管伸一定的长度焊接。3 种关系的共同点是在保温层内部的排潮管壁上均匀开孔，让潮汽排 出。

3 种外护层的比较 种外护层的比较

目前，在国内高温蒸汽直埋敷设管道上应用的外护层主要有 3 种形式：钢套管外护、 玻璃钢外护及高密度聚氯乙烯管外护。由于高密度聚氯乙烯管耐温度较低，对温度十分敏感， 其强度随温度变化较大，线性膨胀系数也大，随温度变化会造成自身开裂，使整个保温层防 水失效，因此，不宜应用在高温蒸汽直埋敷设管道上，但在热水直埋供热管道上应用较为普 遍。 在高温蒸汽直埋敷设管道上应用较多的外护层为钢套管外护和玻璃钢外护。二者的主要 区别在于前者在外滑动的保温结构（保温层与工作钢管一起相对于外护钢管做同步位移，工 作钢管承受的摩擦力基本上不受土壤压力的影响）应用较多；后者在内滑动保温结构（工作 钢管相对于保护层和保温材料发生位移，工作钢管承受的摩擦力要受到土壤压力的影响）中 应用较多。

钢套管外护层存在的问题有：

a. 防腐问题。通常钢套管外护层采用环氧煤沥青刷漆，由于与土壤之间反 复摩擦，不久就会失去防腐能力，造成外护钢管的腐蚀。

b. 管系中所有的管件（弯头、三通、补偿器等）及固定支架全部装在钢套 管中，并与工作钢管焊接在一起，同时外护管也存在大量焊口需要焊接，由于是双层钢管结 构，无法顺利进行 X 射线探伤检查。 

c. 钢套管外护层每 2～4 m 做一夹环支撑，支撑处保温材料导热系数将明显高于 其它地方，这样，沿着管道就会形成数量很大的热桥泄漏点，同时大量热量传到外钢管上， 也加剧其腐蚀速度，减少管系的使用寿命。

d. 钢套管外护层本身存在热补偿和温度应力问题，同时钢外套在其温度变 化过程中将加大管系中固定支架的受力。

e. 钢套管外护层结构及其防腐措施将提高工程造价。

相反，玻璃钢外护层型结构就不存在上述问题。但是由于玻璃钢外护层没有标准规 定，一些生产厂家粗制滥造。建设部已组织有关部门制定玻璃钢外护管标准。标准发布后， 将能够规范厂家，提高产品质量。另外，采用玻璃钢外护层还有现场接口条件差、质量难以 保证的问题。因此，可根据工程的实际需要，选择适当的保温层结构；但在防腐措施未过关的情 况下，建议优先选用玻璃钢外护层型结构。

4 各节点端面的保温防水设计

根据以往经验，直埋管道保温大多是从各节点端面开始出现问题的，所以各节点 端面的保温防水设计在保温设计中占有突出的位置。常说的节点端面包括工作钢管与工作钢 管、工作钢管与各管件（三通、弯头、大小头）、工作钢管与补偿器的现场对接及排潮管的 连接等。高温蒸汽直埋敷设管道的保温结构无论采用何种型式，都应在工厂中制做完成。在 管道两端留有 200～300 mm 的不保温管段，管道焊接之后接头在现场进行处理，其处理方法 与热水直埋管道现场接头相同，主要有：保温接头套管法、热收缩套管法、袋形套管法、接 口模塑发泡法等。具体制做及技术要求可参考热水直埋管道的一些规程规定，但是其保温层 结构和材料必须同工作钢管一致。

 5 蒸汽直埋敷设管道的报警系统

蒸汽直埋管道敷设在地下，在实际工作中很难了解管道及其保温层结构的运行状况。 为了及时发现问题，防止问题的扩大，在保温结构中设置报警系统是必要的，图 3 是一种常 用的温度检测报警系统。 6 该系统的工作原理是：若系统在运行中发生管道泄漏、保温层被破坏等事故，保温层 的温度将变化，传感器会及时将保温层温度的变化情况经光纤电缆传到温度检测仪及微机系 统，使运行检修人员可及时找到准确位置并进行抢修。

 结束语

在选用高温直埋蒸汽管道的保温材料时，应考虑到材料的耐煮沸性，外护层应考虑 到其耐高温（120 ℃）性，在保温结构上应考虑层层防水的要求，一旦某个环节出现问题， 不至于迅速蔓延到全线管道，为工程的维修带来方便。