供熱管道直埋式波紋管補(bǔ)償器的研發(fā)與應(yīng)用

摘 要

摘要：分析了供熱管道用普通波紋管補(bǔ)償器直埋時(shí)遇到的有關(guān)問題，提出了整體解決方案。從加強(qiáng)自身防腐、防水密封、聚乙烯外護(hù)管的伸縮等方面采取措施，完成了直埋式波紋管補(bǔ)償器的
摘要：分析了供熱管道用普通波紋管補(bǔ)償器直埋時(shí)遇到的有關(guān)問題，提出了整體解決方案。從加強(qiáng)自身防腐、防水密封、聚乙烯外護(hù)管的伸縮等方面采取措施，完成了直埋式波紋管補(bǔ)償器的研發(fā)，在工程中應(yīng)用效果良好。
關(guān)鍵詞：直埋供熱管道；直埋式波紋管補(bǔ)償器；熱補(bǔ)償
Development and Application of Directly Buried Bellows Type Expansion Joint for Heating Pipeline
ZHANG Haining，ZHANG Chaohai，MA Yusheng，F(xiàn)ENG Yajun
Abstract：Some problems encountered in direct installation of common bellows type expansion joints for heating pipeline are analyzed，and the total solution scheme is proposed.The development of directly buried bellows type expansion joints is achieved by taking measures in terms of strengthening their own anticorrosion，Waterproof sealing，expansion and contraetion of PE outer protection pipe and so on.A good application result in the engineering is obtained.
Key words：directly buried heating pipeline；directly buried bellows type expansion joint；compensation of thermal expansion
1 概述
    2003年，秦皇島市熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱二期工程開始籌備建設(shè)，經(jīng)反復(fù)論證，確定供熱管道采用有補(bǔ)償?shù)闹甭穹笤O(shè)。但是，由于市區(qū)內(nèi)地下管網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜，沒有現(xiàn)場(chǎng)澆筑數(shù)量眾多的補(bǔ)償器井室的施工條件，并且秦皇島屬沿海城市，地下水位較高(-500～-700mm)，水中氯離子含量又很高，供熱管道周圍還常常伴有城市排水管泄漏的生活污水。因此，補(bǔ)償器的直埋成為工程建設(shè)中的一個(gè)重要課題。
    總體上講，對(duì)補(bǔ)償器直埋還普遍存在著認(rèn)識(shí)不足、重視不夠和做法不規(guī)范的問題。當(dāng)前做法基本上是將不銹鋼波紋管補(bǔ)償器焊接在鋼管上以后，用聚乙烯外護(hù)管殼包裹整個(gè)補(bǔ)償器，再纏繞熱收縮帶密封，最后進(jìn)行聚氨酯發(fā)泡保溫。其實(shí)這是一種“假直埋”的補(bǔ)償器安裝方式，一是現(xiàn)場(chǎng)處理時(shí)防水質(zhì)量難以保證，熱收縮帶在地下水中浸泡幾年后就與聚乙烯外護(hù)管殼剝離而失去作用；二是當(dāng)工作鋼管受熱膨脹而帶動(dòng)聚氨酯保溫層和聚乙烯外護(hù)管移動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)補(bǔ)償器伸縮移動(dòng)處的聚氨酯保溫層、聚乙烯外護(hù)管的對(duì)擠開裂，并導(dǎo)致鋼管、聚氨酯保溫層、聚乙烯外護(hù)管之間相互分離[1]。
    從補(bǔ)償器直埋所遇到的問題看出，對(duì)用于直埋的補(bǔ)償器進(jìn)行一種全新的、再造式的開發(fā)勢(shì)在必行。
2 補(bǔ)償器直埋需要解決的問題
    ① 針對(duì)秦皇島市區(qū)地下水位高的情況，如何做好現(xiàn)場(chǎng)管溝排水，確保每個(gè)補(bǔ)償器的安裝、保溫始終處在于燥的條件下；同時(shí)，施工質(zhì)量又能得到可靠的保證，是首先要面對(duì)的問題。
   ② 補(bǔ)償器直埋于地下以后如同管道一樣，不可能隨時(shí)或經(jīng)常反復(fù)地在市區(qū)街面上破路開挖進(jìn)行查看。必須解決補(bǔ)償器在正常使用期限內(nèi)維護(hù)檢修的問題[1]。
   ③ 為避免“假直埋”，應(yīng)解決補(bǔ)償器的絕熱保溫層及其外保護(hù)層的伸縮移動(dòng)問題。保溫層、外保護(hù)層的做法不能照搬預(yù)制保溫管的接頭保溫形式。
3 研發(fā)的總體技術(shù)方案
   鑒于供熱管網(wǎng)中的補(bǔ)償器直埋時(shí)存在著諸多復(fù)雜問題和困難，研發(fā)選擇從工程中使用量最大、相對(duì)簡單的軸向型補(bǔ)償器入手。以不銹鋼波紋管作為吸收工作鋼管熱膨脹的基本元件，采取多種技術(shù)手段，分步化解和規(guī)避不銹鋼波紋管易受水中氯離子腐蝕開裂的風(fēng)險(xiǎn)[2}；并對(duì)補(bǔ)償器實(shí)際運(yùn)行中各種不利的受力情況加以抑制；最終開發(fā)出一種補(bǔ)償器與保溫層、外保護(hù)層三位一體的整體化結(jié)構(gòu)。
    像預(yù)制直埋保溫管件那樣，直埋式補(bǔ)償器實(shí)行工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，使每個(gè)部件、各個(gè)生產(chǎn)步驟和中間產(chǎn)品在生產(chǎn)制造過程中都能得到有效的質(zhì)量控制和監(jiān)督；產(chǎn)品到施工現(xiàn)場(chǎng)后，只需在溝槽中與預(yù)制保溫管進(jìn)行鋼管焊接和保溫接頭即可。從而取消補(bǔ)償器井室，減少固定墩，簡化施工設(shè)計(jì)和工序，降低工程造價(jià)，達(dá)到補(bǔ)償器在使用期限內(nèi)免維護(hù)、免檢修。
4 補(bǔ)償器的預(yù)制保溫一體化結(jié)構(gòu)
   直埋式補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)見圖1。
 

   補(bǔ)償器內(nèi)與輸送介質(zhì)(如高溫?zé)崴?接觸、補(bǔ)償工作鋼管膨脹移動(dòng)的是金屬波紋管，金屬波紋管采用SUS316L不銹鋼。不銹鋼波紋管與兩側(cè)的固定端管和活動(dòng)端管焊接，補(bǔ)償器通過固定端管和活動(dòng)端管連接供熱管道。
   在補(bǔ)償器鋼外筒的活動(dòng)端板處設(shè)置柔性密封填料結(jié)構(gòu)。由于工作鋼管內(nèi)的介質(zhì)是經(jīng)過處理的氯離子含量符合要求的軟化水，不銹鋼波紋管內(nèi)側(cè)受腐蝕的程度較小。不銹鋼波紋管開裂很大程度上是由于外側(cè)受到了高濃度氯離子水的侵蝕。密封結(jié)構(gòu)的重要作用之一就在于阻擋外側(cè)水。
    在補(bǔ)償器活動(dòng)端管的移動(dòng)部位包裹軟質(zhì)絕熱材料——超細(xì)離心玻璃棉。離心玻璃棉在補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)補(bǔ)償量下，不得影響活動(dòng)端管及兩側(cè)聚氨酯保溫層的移動(dòng)。離心玻璃棉外用中堿玻璃纖維無捻粗砂布包扎后，再用鋁箔反射布均勻纏繞。離心玻璃棉包裹層的外邊是柔性橡膠波紋管，柔性橡膠波紋管與補(bǔ)償器的聚乙烯外護(hù)管粘接。
    在補(bǔ)償器的鋼外筒、固定端管、柔性密封填料結(jié)構(gòu)外邊及活動(dòng)端管外的離心玻璃棉右側(cè)做聚氨酯保溫層，這個(gè)聚氨酯保溫層須與熱網(wǎng)中預(yù)制直埋保溫管的聚氨酯保溫層同性能、同厚度。聚氨酯保溫層與補(bǔ)償器的端管邊沿有150～200mm的距離，以方便補(bǔ)償器與熱網(wǎng)管道連接時(shí)做接頭保溫。
    補(bǔ)償器的聚氨酯保溫層外面是聚乙烯外護(hù)管，其性能與熱網(wǎng)中預(yù)制保溫管的聚乙烯管相同。補(bǔ)償器鋼外筒凸出部位的聚乙烯不規(guī)則連接按照CJ/T 155—2001《高密度聚乙烯外護(hù)管聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料預(yù)制直埋保溫管件》標(biāo)準(zhǔn)，采用熔融擠出焊，不使用熱收縮帶。
    在柔性橡膠波紋管外覆蓋聚乙烯保護(hù)殼，避免橡膠波紋管受土壓迫。聚乙烯保護(hù)殼的兩邊有擋土環(huán)，殼上加環(huán)形筋板，左擋土環(huán)與上下聚乙烯管殼實(shí)施擠出焊死固定，右擋土環(huán)為活動(dòng)端。
    通過上述結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償器的活動(dòng)部分與非活動(dòng)部分結(jié)合成為一個(gè)有機(jī)的整體。當(dāng)熱網(wǎng)管道受熱時(shí)，補(bǔ)償器的活動(dòng)端管在柔性密封填料結(jié)構(gòu)的密封下將向左滑動(dòng)壓縮不銹鋼波紋管(活動(dòng)端管相對(duì)于導(dǎo)流管向左移動(dòng))來吸收管道的膨脹量。由于活動(dòng)端管與其上的聚氨酯保溫層為一體，也就帶動(dòng)了聚氨酯保溫層及其上的聚乙烯外護(hù)管向左移，進(jìn)而壓縮了離心玻璃棉和橡膠波紋管，聚氨酯上的聚乙烯外護(hù)管相對(duì)于右擋土環(huán)左移。當(dāng)熱網(wǎng)管道降溫時(shí)，補(bǔ)償器活動(dòng)端管做反向運(yùn)動(dòng)以補(bǔ)償管道的收縮量。在補(bǔ)償器的整個(gè)吸收、補(bǔ)償管道熱膨脹過程中，其鋼外筒、固定端管、柔性密封填料結(jié)構(gòu)及導(dǎo)流管等是固定不動(dòng)的。由此可見，在補(bǔ)償器的工作中，不銹鋼波紋管及聚氨酯保溫層、離心玻璃棉始終是被密封的。
5 關(guān)鍵性技術(shù)
   ① 鎳磷(Ni-P)化學(xué)鍍防腐處理
   鎳磷(Ni-P)化學(xué)鍍是一種先進(jìn)的金屬表面防護(hù)技術(shù)，現(xiàn)已應(yīng)用于汽車、宇航、化工機(jī)械等領(lǐng)域。它利用化學(xué)鍍工藝在金屬或非金屬表面形成一層均勻的非晶化鎳磷金屬鍍層，使基體材料與腐蝕介質(zhì)隔離開，不產(chǎn)生晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕，鍍層具有良好的耐點(diǎn)蝕、耐磨性能，且表面光滑。經(jīng)測(cè)試，其鍍層的腐蝕速度遠(yuǎn)低于不銹鋼。
    對(duì)不銹鋼波紋管進(jìn)行鎳磷表面化學(xué)鍍防腐處理，以增強(qiáng)其自身的耐腐蝕性。對(duì)補(bǔ)償器活動(dòng)端管的伸縮部位外表面也進(jìn)行這樣的處理，避免一旦地下水進(jìn)入熱網(wǎng)管道保溫層，對(duì)活動(dòng)端管造成腐蝕，影響柔性密封結(jié)構(gòu)的密封性能；同時(shí)，減小活動(dòng)端管的摩擦阻力。
    處理后的主要性能指標(biāo)達(dá)到：鍍層厚度為50μm，基體結(jié)合強(qiáng)度為300～400MPa，硬度為HV500以上。
   ② 柔性密封填料結(jié)構(gòu)
   對(duì)柔性密封填料結(jié)構(gòu)，通過注填密封填料來保證補(bǔ)償器活動(dòng)端板與活動(dòng)端管之間的密閉性。一般情況下，補(bǔ)償器所處的地下水壓力并不高，正常使用年限內(nèi)，密封結(jié)構(gòu)能夠阻止地下水滲入而無須加注填料。但要求密封結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)條件下，具備獨(dú)立的工作能力，結(jié)構(gòu)耐溫200℃，耐壓1.6MPa，以承受不銹鋼波紋管意外開裂時(shí)高溫介質(zhì)的溫度和壓力。為此，在密封結(jié)構(gòu)上安裝了具有注填止回功能和防水壓蓋裝置的注填閥，達(dá)到填料壓力穩(wěn)定不泄漏、注填孔螺紋不銹蝕。
    為檢驗(yàn)鋼外筒的承壓和密封結(jié)構(gòu)的密閉性能，在鋼外筒內(nèi)做1.5倍設(shè)計(jì)壓力的水壓試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)孔在試壓后封堵。這樣，密封結(jié)構(gòu)既阻止了不銹鋼波紋管一旦出現(xiàn)開裂，工作鋼管內(nèi)的介質(zhì)向補(bǔ)償器外的泄漏；又抵御住了外面的水滲入補(bǔ)償器腐蝕不銹鋼波紋管，起到了對(duì)內(nèi)、對(duì)外的雙重保護(hù)功能。外面水對(duì)補(bǔ)償器的滲入包括地下水對(duì)補(bǔ)償器保溫層的滲入，還有直埋管道的聚乙烯外護(hù)管和接頭破損后地下水沿管道保溫層的“竄水”。
   ③ 柔性橡膠波紋管
   為了吸收補(bǔ)償器聚乙烯外護(hù)管的位移量，經(jīng)分析比較，采用了柔性橡膠波紋管。橡膠波紋管材質(zhì)為三元乙丙(EPDM)，EPDM是一種乙烯和丙烯的共聚體，有著優(yōu)異的耐候性、耐老化性、耐化學(xué)性、耐水蒸氣、耐酸堿、抗沖擊等特點(diǎn)，使用溫度范圍為-50～150℃。
    像制造不銹鋼波紋管那樣，根據(jù)工作位移量和聚乙烯外護(hù)管的外徑進(jìn)行各種規(guī)格橡膠波紋管開模。成品橡膠波紋管的性能指標(biāo)為：扯斷強(qiáng)度≥15MPa，扯斷伸長率≥500%，壓縮永久變形率≤15%。
   ④ 塑膠粘結(jié)技術(shù)
   橡膠波紋管與聚乙烯外護(hù)管的可靠粘結(jié)是確保整個(gè)補(bǔ)償器防水的重要環(huán)節(jié)。地下水壓力不高，但滲透性很強(qiáng)，而三元乙丙(EPDM)的自粘性和互粘性卻不強(qiáng)。
    針對(duì)三元乙丙與聚乙烯的粘結(jié)問題專門研制了復(fù)合型塑膠粘結(jié)劑。經(jīng)多次抗拉和耐溫等試驗(yàn)檢測(cè)，粘結(jié)劑性能穩(wěn)定，粘結(jié)強(qiáng)度大于12MPa，耐溫范圍為-30～120℃。
   ⑤ 扭矩失穩(wěn)限制器
   按照研發(fā)的總體技術(shù)方案要求，需要消除不銹鋼波紋管及鋼外筒等部件受到其他因素影響時(shí)可能產(chǎn)生的事故隱患，最大限度地提高補(bǔ)償器的運(yùn)行穩(wěn)定性。
    供熱管道所采用的螺旋縫鋼管或無縫鋼管中存在著殘余應(yīng)力的作用，隨著管道介質(zhì)溫度的逐漸變化，會(huì)對(duì)補(bǔ)償器產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩；管道安裝過程中易出現(xiàn)偏差，使補(bǔ)償器不僅受軸向力，也會(huì)產(chǎn)生額外的扭矩和徑向力。
    為此，在補(bǔ)償器內(nèi)部的端板和鋼外筒的地方(未設(shè)置在導(dǎo)流管上是出于對(duì)其結(jié)構(gòu)形式的考慮)，設(shè)計(jì)了獨(dú)特的扭矩失穩(wěn)限制器，并對(duì)鋼外筒、端板等做了配套的加強(qiáng)。扭矩失穩(wěn)限制器的過載扭矩、徑向力設(shè)定值大于設(shè)計(jì)補(bǔ)償段產(chǎn)生的最大力矩、徑向力，能夠避免不銹鋼波紋管的扭曲變形和補(bǔ)償器的徑向失穩(wěn)。
   ⑥ 無固定技術(shù)
   工作鋼管內(nèi)流體介質(zhì)的內(nèi)壓推力(俗稱盲板力)是客觀存在的，不因?yàn)椴捎煤畏N形式的補(bǔ)償器而消失。補(bǔ)償器鋼外筒的端板、不銹鋼波紋管等也均有盲板力。
    通過設(shè)置內(nèi)固定結(jié)構(gòu)，使盲板力作用在內(nèi)固定結(jié)構(gòu)上，而不是管道的固定支墩上3，可減小支墩的受力和尺寸，甚至在一些地方可以不設(shè)固定支墩。比如：改變了以往兩個(gè)固定支墩之間只能安裝一個(gè)補(bǔ)償器的做法一；取消了兩個(gè)補(bǔ)償器之間、補(bǔ)償器與彎頭等自然補(bǔ)償點(diǎn)之間、處于駐點(diǎn)(管段中位移量為零的點(diǎn))位置的次固定支墩，這就是所謂的無固定技術(shù)。
   無固定技術(shù)必須與扭矩失穩(wěn)限制器配合起來使用，兩者的配合應(yīng)用，可大大簡化施工設(shè)計(jì)，降低施工造價(jià)。
   ⑦ 小結(jié)
   a.通過對(duì)不銹鋼波紋管這一重要部件從內(nèi)到外的三重防腐止水保護(hù)(鎳磷化學(xué)鍍防腐處理、柔性密封填料結(jié)構(gòu)、柔性橡膠波紋管)，并采取限扭矩抗失穩(wěn)、無固定技術(shù)等一系列措施，實(shí)現(xiàn)了最初確定的總體技術(shù)要求。
   b. 補(bǔ)償器在穩(wěn)定地吸收供熱管道熱膨脹量的情況下，達(dá)到了內(nèi)部介質(zhì)向外泄漏為零、地下水向補(bǔ)償器內(nèi)滲透亦為零的技術(shù)指標(biāo)。
6 實(shí)際應(yīng)用及效果
    經(jīng)過兩年研究試驗(yàn)，直埋式補(bǔ)償器于2005年開始在工程中應(yīng)用，當(dāng)年投產(chǎn)。截至2010年底，共安裝DN 200～1200mm的各種規(guī)格補(bǔ)償器870余個(gè)，并全部投入使用，最早的已穩(wěn)定運(yùn)行6年。
    經(jīng)工程測(cè)算，使用直埋式補(bǔ)償器比安裝普通波紋管補(bǔ)償器并澆筑井室節(jié)約造價(jià)35％一40%，而且方便了施工，加快了工程進(jìn)度，避免了補(bǔ)償器運(yùn)行中的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。該產(chǎn)品尤其適合于地下水位較高的沿海地區(qū)。
參考文獻(xiàn)：
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(本文作者：張海寧 張潮海 馬玉生 馮亞軍 秦皇島市熱力總公司 河北秦皇島 066000)