预制直埋钢套钢保温管设计

河南永银化工热电厂向河南永银化工 20万 t/a 聚氯乙烯一期工程提供工业蒸汽, 用于其生产工艺 的需要。供热管线长约 5 km, 供热管道采用钢套钢 直埋敷设方式, 外护管管顶埋深为 1.2~ 30 m。热 力管网布置原则: 力求短直, 沿道路直埋敷设, 方便 施工。蒸汽设计参数见表 1。。

2 管材、管件及保温结构 ( 1)管材。热力管网工作压力 127 M Pa, 介质 温度为 250 , 管道采用螺旋缝电焊钢管, 材质为 Q235-B钢。管网设备及附件采用耐压值为 25 M Pa、耐温 350 的产品, 以确保管道长期安全稳定 运行。 ( 2)保温管。热力管道采用钢套钢直埋复合保 温管, 工作方式为内滑动。内保温层采用耐煮沸硅 酸镁, 外保温层采用耐高温改性聚氨酯泡沫, 保温结 构的保护层采用直缝电焊钢管。保温管由专业厂家 在工厂内预制, 现场只进行接口施工。 ( 3)保温结构。保温结构的设计计算以较经济 的保温厚度作为计算依据, 略加相应的安全系数即 可, 不宜过于保守, 尽量减少投资成本。根据多年的 实践经验, 选用多阻式复合保温结构为较佳, 并依据 C JJ104 2005城镇供热直埋蒸汽管道技术规程给 出的多层保温结构计算公式, 经反复试算后达到保 温结构设计要求。钢套钢保温结构材质及规格见表 2, 保温结构如图 1所示。

3 管道稳定性 由于供热蒸汽压力大, 温度高, 在工程设计中除 按照 C JJ104 2005城镇供热直埋蒸汽管道技术规 程对工作管道进行强度计算及应力验算外, 基于 外护管管径较大, 还应考虑管道有整体失稳、局部失 稳和椭圆化变形的情况。为满足管道稳定性, 供热 管网采用了固定支墩和有补偿直埋敷设等相结合的 方式。  

3.1 固定支墩 以处于舞阳城区的某工程为例, 固定支墩采用 工作管内固定加外固定辅助的设计方式。由于外固 定支墩受力较大, 为保证稳定性, 在其两侧 1 m 内回 填灰土, 分层夯实, 具体做法参照 JG J79 91建筑 地基处理技术规范规定。

( 1)考虑到外护管管径大, 钢管相对来说为薄 壁壳体, 必须对管道的局部失稳进行校核计算。由 于管道内的较大轴向应力在固定支墩处, 因此, 固定 支墩处的应力也必须同时满足校核计算要求。

( 2)适当增加外护管钢管壁厚, 提高管道的刚 度, 以增强抗失稳能力, 确保不出现截面椭圆化变形 和局部失稳。

( 3)采取增加覆土深度及避免在管线附近平行 开沟等措施, 增大外界的抗纵向失稳反力和保持外 界抗水平失稳能力, 防止管道出现整体失稳。当地 沟底部土层的承载力 80 kPa时, 地沟底部应加垫 C15素混凝土层, 避免管道埋地由于不均匀沉降产 生折角。

3.2 管道的热补偿

虽然工程管路系统设计受到的各方面制约相当 复杂, 但任何复杂的管系都可以通过固定支墩的设 置, 将其分成若干形状相对简单的单独管段, 如直线 型、L型、Z型、U 型管段等。根据这些相对简单的 单独管段来确定管系的变形补偿, 再选择补偿器。 由于补偿器的种类很多, 正确的选型非常重要。管 系设计开始时, 在管系走向支撑体系 (包括固定支 墩、导向管架等 )设计的同时, 就要综合考虑补偿器 的选型和配置, 这样才能保证设计管系的安全、合 理、可靠和经济。 仍以舞阳城区某工程为例, 管道敷设时充分考 虑利用地形和道路的变化。蒸汽管道以 L 型、Z型 布置时, 做自然补偿; 在自然补偿无法满足要求的长 直管段上, 采用波纹管补偿器补偿管道的热位移。 补偿器由于在地下直埋管道中工作, 不同于地上的 特点, 设计选型时还要考虑以下几个因素: 1.补偿器 宜选用轴向型外压式补偿器, 出厂前预冷紧, 以减小 固定支墩受力。.该补偿器具有吸收轴向位移、补偿 量大、保温性能好、使用寿命长等特点。2.补偿器的 材质应选用抗氯离子腐蚀材料 SUS316L 不锈钢。 3. 补偿器尽量在固定支墩两侧对称设置, 以平衡固 定支墩的轴向力。4..补偿器的疲劳寿命次数不应小 于设计压力和温度下的 3 000次。5. 补偿器端口连 接接口宜选用焊接方式。

4 管路附件

4.1 排潮管 排潮管设置很重要, 一般设置于每一管段的固 定支墩附近 (即管道热位移较小处 ), 出口引入检查 井内。排潮管作用: 在管道暖管时排出保温层中 的潮气, 使保温材料的导热系数达到设计值; 检查 判断故障, 起到管道损坏报警显示作用。为了较准 确反映管道保温层的工况, 排潮管安装时应环绕工 作管道 1圈, 并在其上开一些小孔。

4.2 疏水装置 由于蒸汽管网初期运行热负荷不稳定, 生产用 汽企业甚至经常有间隙运行工况, 管道内积聚大量 凝结水, 如不及时排出容易发生 汽水冲击 现象, 严重时会对管网造成破坏。因此, 设计合理的疏水 装置是管网安全运行的重要保障。

( 1)尽量沿管网汽流方向, 并根据管网的地形 高程将管系做成有坡度的设计, 即顺流疏水。

( 2)疏水阀门连接接口宜选用焊接的方式, 其 抗水击能力强, 可减少凝结水泄漏。

( 3)为避免疏水管根部焊口剪应力对管道的破 坏, 疏水装置应尽量设在固定支墩附近。

5 结语 大管径高温直埋蒸汽管道敷设, 设计是关键。

( 1)蒸汽管道直埋的补口、节点、端点等部位是 易进水的地方, 施工安装时一旦处理不好, 工程质 量就会受到影响, 所以设计时应尽量减少其数量。

( 2)为减少对其他管道或管线的热影响, 直埋 蒸汽管道尽量布置在这些管道或管线的上部。

( 3)对于空间小、不易大土方开挖的地段, 固定 支墩选用内固定加外固定辅助为较好, 其优点是可 以减少土建工程量。设计时, 施工图要在选定工艺 后, 与管道生产企业结合后再设计出图, 这样可以减 少施工安装时一些问题以及不必要的设计变更, 以 免造成工程误工现象。

( 4)沿线各固定支墩及管槽定位应整体放线, 统一开挖, 以统筹调整施工中碰到的各种障碍物。 直埋管道开挖的深度及宽度、管道基底的夯实处理、 管道标高及回填土等均应严格按照 C JJ28城镇供 热管网工程施工及验收规范 的规定执行。