直埋蒸汽管道
作者：张骐
第一作者单位：河北华热工程设计有限公司
摘自《煤气与热力》2017年6月刊
1 工程概况
承德热力集团在热电厂迁建项目中，为满足老用户用汽需求，于2008年敷设蒸汽主管道7 km，电厂出口蒸汽管道规格为DN 600 mm，穿越滦河后蒸汽管道规格为DN 500 mm。电厂出口蒸汽参数为：温度310 ℃、压力0.98 MPa。由于大部分管道敷设在滦河岸边并多次从河底直埋穿越滦河，经过对多项类似工程及保温管生产厂家考察，并结合本工程具体情况，最终确定采用钢套钢直埋保温管内固定直埋敷设方式。从2009年至今的运行情况表明，此方式是安全、可靠的，在技术上解决了直埋蒸汽管道在防水、防腐、热桥、疏水等方面的关键性问题，使蒸汽管道全线处于全密封状态下运行。
2 设计要点
钢套钢保温管就是两层钢管套在一起，内部的钢管为工作管，输送蒸汽介质；外部的钢管既是工作管的保护管，也是工作管伸缩固定的主要受力件，类似一个密封严密的管沟。工作管和外护管之间是保温层和空气层［1-2］。本工程保温层采用厚度为160 mm的超细玻璃丝棉。除需要操作的阀门安装在井室内，其他均采用直埋敷设。
2.1 补偿器
蒸汽管道的设计均采用有补偿方式，为保证补偿器足够严密可靠，一般选用波纹管补偿器。补偿器应与管道同寿命。波纹管的材料一般选用耐氯离子的316L不锈钢，波数波高等技术参数应进行严格计算，既要避免补偿器失稳，又要达到设计寿命。
2.2 固定支座
工程中固定支座均采用内固定支座，内固定支座是利用外护管类似于管沟的特性，把工作管和外护管连接，保证工作管和外护管之间不发生相对位移。这样可以省去大量外固定支座混凝土用量，减少占地，降低施工难度。通过在内外环板之间增加高强度绝热材料，避免内外环板直接接触而大量散热，有效地避免热桥的产生，从而使外护管防腐层的温度得到控制。因此，提高了管网的安全性和经济性。内固定支座在厂家预制，结构见图1。
图1 内固定支座、排潮管结构
2.3 排潮管
排潮管能够及时排出保温层中的水分，保证保温效果及管网安全。实际上排潮管还有另一个功能，就是通过排潮管的排汽量变化及时发现管网的泄漏，并可以通过排潮汽取样化验的方法来区分是外护管泄漏还是工作管泄漏。因此，建议在相邻内固定支座间均设置排潮管，通过观察排潮管排汽快速定位事故管段［3］。排潮管结构见图1。排潮管结合内固定支座设置。图1中排潮管突出外护管部分（长度为200 mm）由厂家预制，施工时根据现场条件引至地面安全处，末端采用180°弯头使出口向下，防止雨水倒灌。
2.4 疏水装置
一般蒸汽的过热度决定凝结水量的大小，但由于很多蒸汽管道的负荷很不稳定，甚至出现某些分支管道间歇运行，这时管道中就会有大量凝结水，如果不能及时排出，就会产生水击现象。因此，我们要根据工程的具体情况设置疏水装置。在本工程中，在过河段等低点均设置了启动疏水装置，运行前采用人工操作排空管道中的凝结水，这样可以大大节省暖管和启动时间。对于经常疏水，工程中如果现场条件允许，尽可能使疏水装置低于工作管，这样更利于凝结水排出。
2.5 外护管
本工程地下水位较高，外护管的严密性相当重要。如果土壤中的水进入保温层，就会产生大量的排潮汽，同时高温工作管加热了保温层中的水分，排潮汽会使外护管温度急剧升高，过高的温度不仅影响外护管的防腐材料性能，还会引起应力过大，形成局部失稳。为了达到足够的严密性，我们采用加强级防腐，保证外护管在设计寿命中不会腐蚀泄漏。
在井室部位外护管是不连续的，并且工作管和外护管存在微量相对位移。同时，为了阻止井室中的积水进入管道保温层，特设计波纹端封，杜绝发生保温层进水从而导致爆管、冒汽等事故。此结构既解决了工作管和外护管的相对位移，又有效防止保温层进水［4-5］。波纹端封采用316L不锈钢材质。波纹端封结构见图2。
图2 波纹端封结构
外护管应力计算也非常重要，CJJ/T 104—2014《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》（以下简称CJJ/T 104—2014）也对外护管提出了要求。CJJ/T 104—2014中明确外护管应采用无补偿敷设方式。虽然在设计工况下外护管外表面温度低于50 ℃，但在工作管泄漏和外护管进水等事故工况下，外护管温度会急剧上升。因此，在外护管的应力计算中，我们要采用更高的温度，保证系统安全。本工程外护管应力计算采用100 ℃作为计算温度。
外护管轴向位移对排潮管、分支管、疏水装置也有影响。这些部位基本都采用三通引出，而且是垂直于外护管引出，由于外护管采用无补偿敷设形式，外护管的轴向位移会增加这些部位的风险。因此，在设计时对于外护管轴向位移量较大部位的三通应进行应力校核。
2.6 弯头
由于外护管采用无补偿敷设形式，应该先根据应力计算确定外护管弯头的曲率半径，然后采用相同曲率半径的工作管弯头。在设计中弯头处通常要利用弯头的特性对工作管进行一定的补偿，也就是存在L形、Z形等自然补偿管段。对于直管段，采用波纹管补偿器补偿，希望工作管只是发生轴向位移，因此采用轴向滚动支座。轴向滚动支座结构见图3。轴向滚动支座由抱箍和滚轮组成，抱箍与工作管形成一体，使工作管沿着外护管轴向移动。
图3 轴向滚动支座结构
在自然补偿管段，由于管道除轴向位移外还存在径向位移，因此，此段不能采用与直管段相同的支座，应采用平面滑动支座。平面滑动支座结构见图4。平面滑动支座由焊在外护管上的平板支撑件和焊在工作管上的滑动管托组成，工作管可以在外护管内水平方向做轴向和径向移动。
图4 平面滑动支座结构
在自然补偿段设计时还要计算工作管变形量是否会挤压保温层，影响保温效果。如果空气层厚度小于工作管的径向位移，则需要局部扩大外护管管径，保证弯头处的保温效果。自然补偿段未加大外护管管径条件下冷态和热态情况见图5，自然补偿段加大外护管管径条件下冷态和热态情况见图6。
图5 自然补偿段未加大外护管管径条件下冷态和热态情况
图6 自然补偿段加大外护管管径条件下冷态和热态情况
2.7 排管设计
由于钢套钢保温管的工作管和外护管为相对滑动结构，每根钢套钢保温管内部的轴向滚动支座和弯头处的平面滑动支座都是工厂按预定位置设置的，如果现场断管施工就可能导致局部支座数量不足，不能满足设计要求。因此，应尽量减少现场断管施工，实现最大程度的工厂预制，以保证工程质量。在本工程中，我们按照中标厂家的管子、管件长度进行排管设计，有效地降低了施工难度及工程造价。
参考文献：
［1］穆树方，蔡启林. 直埋蒸汽管道几个关键技术的思考与探讨［J］. 区域供热，2002（2）：1-6.
［2］王淮，杨立新. 直埋蒸汽管道技术的探讨［J］. 煤气与热力，2003，23（5）：290-292.
［3］程建坤，李秋鹏. 钢套钢蒸汽管道直埋过河的设计［J］. 煤气与热力，2010，30（9）：A01-A03.
［4］杨雪琴，邵蓉，李晓恭. 直埋蒸汽管道技术应用与探讨［J］. 煤气与热力，2005，25（9）：53-55.
［5］张运翻. 直埋蒸汽管道设计［J］. 管道技术与设备，2007（5）：3-5.
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