玻璃钢套钢直埋蒸汽管道设计实例分析

2019-05-30

蒸汽直埋的优点是减少了地上管道的设置,减小了地下占用空间,改善了市容。在今后的实际应用中,我们还应采取更多新的技术措施改进设计方法,推进蒸汽直埋技术的发展。 近年来, 蒸汽直埋供热管道得到迅猛发展。这为我们供热直埋领域又增添了一个重要角色。

    蒸汽直埋的优点是减少了地上管道的设置,减小了地下占用空间,改善了市容。在今后的实际应用中,我们还应采取更多新的技术措施改进设计方法,推进蒸汽直埋技术的发展。
    近年来, 蒸汽直埋供热管道得到迅猛发展。这为我们供热直埋领域又增添了一个重要角色。在蒸汽直埋方式中,有钢套钢、玻璃钢套钢等形式。其中,玻璃钢套钢直埋管型式以造价低、易于生产、施工方便等优点得到广泛应用。
    下面, 以唐山市新区昌盛酒店蒸汽管线为例介绍一下玻璃钢套钢蒸汽直埋管道的设计特点。本工程蒸汽流量16t/h,压力0.5MPa,温度200℃,管径DN250。
    管道平面图如下:
管道平面图
一、计算管道保温层厚度。保温层结构示意图(如下图所示)
保温层结构示意图
    为了方便计算保温层厚度,本人依据《供热工程》、《城市供热手册》等用EXCEL 表编制了“蒸汽直埋供热管道保温层计算表”。表格形式如下:
蒸汽直埋供热管道保温层计算表
    蒸汽直埋供热管道保温层计算表

    表中λ 值已根据各保温层材料的特性查资料确定。表中介质温度、钢管外径、管中埋深等依据实际填入。表左侧保温层外径d1、d2、d3 采用试算法。因第三层保温采用聚氨酯,受聚氨酯使用温度限制,试算时以第二层保温外皮温度不超过120℃为准并留有一定裕量。第三层外皮温度即保温外壳温度依据规定控制在不超过50℃。计算时冬夏季都应当计算。保温层厚度应同时满足冬季和夏季要求。下面分别列出冬季和夏季的计算结果:
    根据以上计算结果得出: 空气层厚度5mm,第一层石棉保温瓦厚度35mm,第二层岩棉保温层厚度40mm,第三层聚氨酯保温层厚度20mm。总厚度=5+35+40+20=100mm。冬季运行第二层保温外皮温度92.7℃, 第三层保温外皮温度33.5℃; 夏季第二层保温外皮温度100.9℃,第三层保温外皮温度46.2℃,均未超出规定值。所以,这个计算结果是可以接受的。
二、计算管道最大安装长度
    由于蒸汽温度较高, 运行温差已经远远超出了钢管的屈服温差,如果按无补偿设计,蒸汽管道会发生塑性变形, 因疲劳损失而遭到破坏。这样,蒸汽直埋管道就不能按无补尝设计,而应按有补偿直埋来设计,计算补偿器的最大允许间距,即2 倍最大安装长度。计算最大安装长度首先应计算管道每米摩擦力。跟热水直埋管道不同, 蒸汽直埋供热管道在结构上有5mm 厚的空气层,空气层添加有耐高温支垫,支垫与钢管之间涂有无机润滑剂,这样,运行过程中,钢管就可以在空气层内伸缩,但伸缩时,需克服钢管与耐高温支垫间的摩擦力。正是这个摩擦阻力决定着最大安装长度。所以,计算这个摩擦阻力应计算光管与耐高温支垫间的摩擦力, 而不是像热水直埋管道那样计算保温外壳与沙子间的摩擦力。但对于这个摩擦力的计算, 玻璃钢套钢直埋管道与钢套钢直埋管道的计算方法又有区别,应引起注意。在钢套钢直埋供热管道中,由于保温管的外壳为钢管,是刚性的,足以支撑周围土壤对管道的压力, 保温层不会受到周围土壤的压力, 所以计算最大安装长度时只计算由于保温层及工作钢管自重产生的摩擦力, 而不是考虑土壤的压力, 既不考虑埋深。而玻璃钢套钢蒸汽直埋供热管道,由于外护管玻璃钢不是刚性的,尤其在管道受热后,玻璃钢的刚性更会大幅下降, 所以周围土壤的压力会作用到保温层上, 从而增加管道的摩擦力。所以在玻璃钢套钢蒸汽直埋供热管道实际计算中,应考虑周围土壤的压力,即考虑管道的埋深。根据《城镇直埋供热管道技术规程》,管道摩擦力计算公式:
    F=πρg μ(H+Dc/2)·Dc=3.14×1800×9.18×0.3×(1.5+0.273/2)×0.273≈0.7t/m
    F———轴线方向每米管道摩擦力(N/m);
    H———管顶覆土深度(m),当 H>1.5m 时,取1.5m;
    ρ———土壤密度(kg/m3);
    μ———摩擦系数;
    H———管中埋深(m);
    Dc———钢管外径(m)。
三、其它附件
    在两个补偿器之间应设置固定支架。主固定支架与补偿器一同设在小室内, 固定支架为槽钢支架,这样便于耐高温。补偿器应根据冬夏季运行温度及安装温度进行冷紧。次固定支架应做成直埋固定墩, 为钢筋混凝土结构。为提高混凝土的耐温性,管道卡板周围墙体应采用大理石骨料。为减小管道周围混凝土温度, 混凝土不应与卡板及蒸汽管道直接接触, 在卡板与混凝土墙体之间加装高密度耐高温支垫, 在蒸汽管道与墙体之间加添隔热层。
    关于排潮管。在每段蒸汽保温管上都应装有放汽排潮管。因为在蒸汽直埋管中有5mm 厚的空气层,空气层中充满了空气,而空气中含有大量水蒸气。这些水蒸气一方面会对管道产生腐蚀, 另一方面它们在受热后体积膨胀, 压力会升高, 尤其在高温蒸汽管道中,蒸汽温度达到350℃以上。这样,空气层中的水蒸气会因体积膨胀对保护壳产生巨大压力,严重时就会爆管,即保护壳承受不了水蒸气的压力而产生爆裂现象,引发事故,造成人身及财产的损失。所以,为了避免产生以上现象,我们在保温层上设置了排潮管,其根部通到空气层,外部通往大气。这样,当蒸汽管道受热升温后,空气层中的空气会由于体积膨胀而排出,水蒸气也会随之被排往大气, 这样就保证了保温管的安全运行。由此,值得一提的是,蒸汽直埋保温管在运输及储存过程当中, 应当注意不应在潮湿环境中长期储存, 应避免被雨淋、水浸,管道在安装前,两端保温层端头应封闭,安装时再打开。一般情况下,在直埋墩两端、补偿器两端及其它一切可能隔断空气层的管件两端,均应安装排潮管。其材料为无缝钢管, 管径可根据主管道的口径适当调整。
    关于疏水。与架空蒸汽管道一样,直埋蒸汽管道也应在低点设置疏水。为避免凝结水直接排在井室内会对下井人员产生不安全因素,应将疏水管引至泄水附井。
    关于阀门井。蒸汽直埋管道阀门井内空气温度远远高于热水直埋管道阀门井内空气温度,尤其在夏季,温度会更高。加之阀门产品质量问题或管理不善有漏气现象, 人员进入蒸汽阀门井往往存在很大不安全隐患,这样,我们应采取措施,尽量减少人员进入阀门井次数。其一:蒸汽管道由架空引入地下敷设时, 尽量将阀门设于地上而非地下井室;其二:阀门必须设于地下井室时,应在井室顶板开一小洞,洞口正对阀门手轮。这样,工作人员不必进入井室, 即可运用辅助工具伸进洞口操作阀门, 大大增加了维护管理人员的安全,这种措施在实际中已得到了应用。
    关于热计量与节流阀的设置。工厂用汽往往需要计量蒸汽流量。蒸汽流量计设于计量井内, 位置上应满足前10D 后5D 的直管段,以保证计量准确性。为保证安全,计量井应设成上下两层。底下一层为蒸汽管道及装于管道上的流量计,上面一层为操控层,供工作人员读取数据。整个建筑为半地下结构,地上部分高出地面1.8m, 上下层之间有台阶相连。节流阀应设于流量计之后,并应保证流量计的直管段长度, 这样避免由于操作节流阀对流量计产生影响。
    关于弯头的处理。由于蒸汽直埋管有5mm 厚空气层,且保温层由多层组成,所以应尽量避免弯头处有大的变形量, 以免由于挤压对复合保温层造成破坏。采取的措施是在拐弯处设固定支架,将管道固定住。当弯头两侧管道臂长很短,伸长量不大时,也可在拐弯处设局部地沟,吸收热伸长,节省固定支架。
四、结论
    以上介绍了玻璃钢套钢直埋管道的设计实例。蒸汽直埋已有10 多年历史了,它的优点是减少了地上管道的设置, 减小了地下占用空间,改善了市容。由于管道设在地下,增加了安全性,减少了检修维护量。尤其是玻璃钢套钢保温形式, 以其简单易于施工受到很多用户青睐。在今后的实际应用中,我们还应采取更多新的技术措施改进设计方法, 推进蒸汽直埋技术的发展。