摘　要：介紹直埋蒸汽管道復(fù)合保溫層的塑(或玻璃鋼)套鋼結(jié)構(gòu)、鋼套鋼結(jié)構(gòu)。以鋼套鋼結(jié)構(gòu)的直埋蒸汽管道(設(shè)計(jì)溫度為300℃，設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa，公稱直徑400 mm的工作管)為例，進(jìn)行復(fù)合保溫材料的厚度計(jì)算。

關(guān)鍵詞：直埋蒸汽管道  復(fù)合保溫  塑套鋼　鋼套鋼　保溫材料厚度

Calculation Example of Composite Insulation Material Thickness of Directly Buried Steam Pipe

Absract：The fiberglass reinforced plastic(FRP)jacket structure and steel jacket structure of composite insulation layer of directly buried steam pipe are introduced．Taking directly buried steam pipe with steel jacket(under design temperature of 300℃，design pressure of l.6 MPa and nominal diameter of 400mm)for example，the thickness of composite insulation material is calculated．

Key words：directly buried steam pipe；composite insulation；fiberglass reinforced plastic(FRP) jacket；steel jacket；insulation material thickness

1　直埋蒸汽管道的結(jié)構(gòu)

近年來，直埋蒸汽管道在北方城市應(yīng)用越來越多。當(dāng)蒸汽管道穿越城市主干道以及涉及到美化環(huán)境時(shí)，直埋敷設(shè)方式能夠很好地解決此問題，而且因其施工進(jìn)度快、保溫性能好、工程造價(jià)低、節(jié)約材料等特點(diǎn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

直埋蒸汽管道的保溫非常重要，保溫設(shè)計(jì)應(yīng)符合減少散熱損失、節(jié)約能源、滿足工藝要求、保持生產(chǎn)能力、提高經(jīng)濟(jì)效益、防止?fàn)C傷等基本原則。

由于直埋蒸汽管道輸送的介質(zhì)溫度很高，一般超過200℃，所以不能像直埋熱水管道那樣采用聚氨酯作為單一保溫層，因?yàn)榫郯滨サ奶蓟瘻囟仍?span lang="EN-US">142℃左右，因此不少廠家的直埋蒸汽管道采用了復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)。直埋蒸汽管道分為塑(或玻璃鋼)套鋼和鋼套鋼兩種結(jié)構(gòu)。

①塑(或玻璃鋼)套鋼結(jié)構(gòu)

塑(或玻璃鋼)套鋼結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外依次為工作管、潤滑層、復(fù)合保溫層、高密度聚乙烯(或玻璃鋼)外護(hù)管，其中復(fù)合保溫層一般從內(nèi)到外為無機(jī)保溫層、聚氨酯泡沫保溫層，為了進(jìn)一步減少輻射熱損失，有時(shí)在無機(jī)保溫層外加設(shè)鋁箔反射層。潤滑層材料一般為無機(jī)潤滑劑，潤滑層的作用是使工作管與復(fù)合保溫層之間能產(chǎn)生相對滑動(dòng)，避免工作管和與其接觸的無機(jī)保溫層因熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生相互牽拉的破壞作用^[1]。塑(或玻璃鋼)套鋼結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用于溫度低于220℃的蒸汽管道中。雖然在安全性和使用壽命方面不及鋼套鋼結(jié)構(gòu)，但是由于其價(jià)格相對低廉，因此適用于輸送蒸汽要求不高的管道。

②鋼套鋼結(jié)構(gòu)

鋼套鋼結(jié)構(gòu)與塑(或玻璃鋼)套鋼結(jié)構(gòu)大致相同，從內(nèi)到外依次為工作管、潤滑層、復(fù)合保溫層(內(nèi)設(shè)鋁箔反射層)、鋼外護(hù)管。鋼套鋼結(jié)構(gòu)耐高溫高壓能力、使用壽命、安全系數(shù)都比塑(或玻璃鋼)套鋼結(jié)構(gòu)有較大的提高。由于外護(hù)管為鋼管，因而對于工作管在運(yùn)行中出現(xiàn)泄漏能起到一定延緩破壞的作用，防止蒸汽溢出傷人。鋼外護(hù)管防腐大多采用兩布三油、三層PE、玻璃鋼纏繞、聚脲噴涂以及環(huán)氧粉末噴涂等多種形式。

2　復(fù)合保溫材料選擇及厚度計(jì)算實(shí)例

以鋼套鋼結(jié)構(gòu)的直埋蒸汽管道為例，進(jìn)行復(fù)合保溫材料的選擇及厚度計(jì)算。管道為f426×7的無縫鋼管，設(shè)計(jì)溫度為300℃，設(shè)計(jì)壓力為l.6 MPa，管道當(dāng)量埋深為2.0m，復(fù)合保溫材料由內(nèi)到外依次為離心玻璃棉、聚氨酯硬質(zhì)泡沫管殼，鋼外護(hù)管防腐為聚脲噴涂。

2．1　保溫材料的選擇

直埋蒸汽管道對保溫材料提出了較高要求。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)不同條件(如介質(zhì)溫度、運(yùn)行工況、地下水位、土壤特性等)對保溫材料進(jìn)行認(rèn)真比較。據(jù)了解，直埋蒸汽管道事故起因多是保溫問題。如果保溫材料不耐高溫，進(jìn)入保溫層的水被蒸汽加熱到沸騰狀態(tài)后，將沿管道迅速蔓延，造成無機(jī)保溫材料(離心玻璃棉)和有機(jī)保溫材料(聚氨酯)破孔軟化，從而引起大范圍保溫材料破壞，熱導(dǎo)率急劇增大，嚴(yán)重時(shí)管道上方地面會(huì)出現(xiàn)冒汽現(xiàn)象^[2-3]。由此可見，保溫材料的耐煮沸及防水性能對直埋蒸汽管道的安全性和可靠性有很大影響，是保證蒸汽管道安全運(yùn)行的關(guān)鍵之一。

2．1．1選擇原則^[4-5]

①保溫材料制品的允許最高使用溫度，應(yīng)高于正常工作時(shí)的介質(zhì)最高溫度。

②相同溫度范圍內(nèi)有不同保溫材料可供選擇時(shí)，應(yīng)選用熱導(dǎo)率小、密度小、造價(jià)低、運(yùn)輸方便、易于施工的材料制品，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行綜合比較，經(jīng)濟(jì)效益較好的應(yīng)優(yōu)先使用。

③在介質(zhì)溫度較高時(shí)，綜合經(jīng)濟(jì)性比較后，可選用復(fù)合材料保溫，即用耐高溫材料和不耐高溫材料分層保溫。

2．1．2保溫材料應(yīng)具有的主要技術(shù)性能

①熱導(dǎo)率?。涸谄骄鶞囟炔淮笥?span lang="EN-US">350℃時(shí)，熱導(dǎo)率不得大于0.12W／(m·K)。

②密度小：密度不大于400kg／m³。

③具有一定的強(qiáng)度：硬質(zhì)成型制品的抗壓強(qiáng)度不應(yīng)小于0.294MPa。

④含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不得大于7.5％。

⑤保溫材料應(yīng)符合其他國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

本實(shí)例選擇的保溫材料均符合上述原則和技術(shù)性能。離心玻璃棉性能：密度為50kg／m³，極限使用溫度為400℃，推薦使用溫度為300℃，熱導(dǎo)率為0.043W／(m·K)。聚氨酯硬質(zhì)泡沫管殼性能：密度為80kg／m³，極限使用溫度為l20℃，推薦使用溫度為l00℃，熱導(dǎo)率為0.033W／(m·K)。

2．2　計(jì)算保溫材料厚度

采用CJJ l04—2005《城鎮(zhèn)供熱直埋蒸汽管道技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱規(guī)程)5.2節(jié)中的保溫計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。此規(guī)程適用于工作壓力小于或等于l.6 MPa，溫度小于或等于350℃，直接埋地敷設(shè)的保溫蒸汽管道的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收及運(yùn)行維護(hù)。不適用于抽真空保溫結(jié)構(gòu)的直埋蒸汽管道。

規(guī)程第5．1．3條規(guī)定，設(shè)計(jì)保溫結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)按外護(hù)管外表面溫度小于或等于50℃計(jì)算保溫層厚度。采用復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)時(shí)，保溫層間的界面溫度不應(yīng)超過外層保溫材料安全使用溫度的0.8倍。為滿足規(guī)定要求且結(jié)合實(shí)際情況，外護(hù)管外表面溫度假設(shè)為40℃，離心玻璃棉保溫層的外表面溫度假設(shè)為90℃。

根據(jù)規(guī)程第5．1．4條和5．1．5條，且查找管道安裝地點(diǎn)的相關(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)，管道周圍土的環(huán)境溫度為5℃，土的熱導(dǎo)率為1.5W／(m·K)。

由于本實(shí)例為復(fù)合保溫設(shè)計(jì)，所以選擇如下公式：

①散熱損失(初算值)計(jì)算：

式中q——單位管長熱損失(初算值)，W／m

t_w——保溫管外表面溫度，℃

t_s——直埋蒸汽管道周邊環(huán)境溫度，℃

l_g——土的熱導(dǎo)率，W／(m·K)

h_d——管道當(dāng)量埋深，m

D_w,j——根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的保溫層外徑，m

②第一層(最內(nèi)層)保溫材料厚度計(jì)算：

式中D₁——第一層保溫材料外徑，m

D₀——工作管外徑，M

l₁——第一層保溫材料在運(yùn)行溫度下的熱導(dǎo)率，w／(m·K)

T₀——工作管外表面溫度，℃，可按介質(zhì)溫度取值

T₁——第一層保溫材料外表面溫度，℃，可按設(shè)計(jì)要求確定

d₁——第一層保溫層厚度，m

③第i層保溫材料厚度計(jì)算：

式中D_i——第i層保溫材料外徑，m

D_i-1——第i-l層保溫材料外徑，m

l_i——第i層保溫材料在運(yùn)行溫度下的熱導(dǎo)率，w／(m·K)

t_i-1——第i-1層保溫材料外表面溫度，℃，按設(shè)計(jì)要求確定

t_i——第i層保溫材料外表面溫度，℃，按設(shè)計(jì)要求確定

d_i——第i層保溫層厚度，m

④單管敷設(shè)的直埋保溫管道熱損失校核計(jì)算：

式中n——管道保溫層數(shù)最

R_g——直埋蒸汽管道環(huán)境熱阻，m·K／W

h——管道中心埋深，m

D_w——保溫層外徑，m

⑤保溫層界面溫度和保溫管外表面溫度計(jì)算：

式中R_z——保溫層總熱阻，m·K／W

已知參數(shù)：t_w=40℃，t_s=5℃，l_g=1.5W／(m·K)，h_d=2.0m，D₀=426mm，l₁=0.043W／(m·K)，t₀=300℃，l₂=0.033W／(m·K)。先假設(shè)一個(gè)保溫層外徑經(jīng)驗(yàn)值D_w,j=720 mm，根據(jù)上文先假設(shè)t₁=90℃，t₂=40℃。將這些數(shù)據(jù)代入以上公式進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算得到的散熱損失與散熱損失校核值相比較，兩者相對誤差應(yīng)小于或等于5％。當(dāng)大于5％時(shí)，應(yīng)將計(jì)算得到的保溫層外徑作為新設(shè)定的保溫層外徑D_w,j，代入以上公式，重新計(jì)算散熱損失。依此類推，直至計(jì)算得到的散熱損失與散熱損失校核值相對誤差小于或等于5％。

由上述公式計(jì)算得到第一層保溫層厚度為l30mm，第二層保溫層厚度為43mm，保溫管直徑為772mm，因此外護(hù)鋼管規(guī)格選擇為f820×10。根據(jù)外護(hù)鋼管規(guī)格調(diào)整保溫層厚度，為保證安全，最終取第一層保溫層厚度為l50mm，第二層保溫層厚度為47mm。將此結(jié)果代入式(7)和式(1)，得第一層保溫材料外表面溫度t₁=84℃，第二層保溫材料外表面溫度t₂=35 0C，單位管長熱損失為l00W／m。

參考文獻(xiàn)：

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本文作者：梁震  姜林慶  鄒崴  宋波

作者單位：中交煤氣熱力研究設(shè)計(jì)院有限公司