直埋蒸汽管道幾個關(guān)鍵技術(shù)的思考與探討
我國直埋蒸汽管道市場需求愈來愈大，而且有迅猛發(fā)展之勢。這種局面的出現(xiàn)， 主要由以下原因促成：
A、我國推廣“集中供熱”、“熱電聯(lián)產(chǎn)”、“三聯(lián)供”等節(jié)能、環(huán)保政策的需要；
B、現(xiàn)代文明城鎮(zhèn)建設(shè)的加速和對節(jié)能、環(huán)保的高要求；
C、國家為了提高人民生活質(zhì)量水平，供熱范圍由嚴寒的“三北”地區(qū)（即華北、東北 、西北）向廣闊的冬寒夏熱的“過渡地區(qū)”擴展的需求。
1.1、研究、開發(fā)、應(yīng)用等方面取得了長足進步
為適應(yīng)直埋蒸汽管道迅速發(fā)展的市場需求，近幾年來我國廣大科技人員、生產(chǎn)廠家在直 埋蒸汽管道技術(shù)的研究、開發(fā)、應(yīng)用等方面，付出了大量心血，取得了長足進步。保溫結(jié)構(gòu) 型式和選用材料之多樣化，工程實踐規(guī)模之大，世界上沒有一個國家可以和我們相比。筆者 曾多次和德國布魯格、意大利索克薩姆以及美國等多家公司交流，他們一般最大管徑Φ500m m，用量也不大，而目前我國山東濟南、河北石家莊、陜西西安、遼寧大連、河南、江浙等 地區(qū)所采用的直埋蒸汽管道已超過Φ500mm，有的已達Φ900mm。保溫結(jié)構(gòu)型式有內(nèi)滑動、外 滑動，選用的耐高保溫材料有微孔硅酸鈣、玻璃棉管殼、熱壓珍珠巖、硅珠保溫材料、復(fù)合 硅酸鹽等。保溫結(jié)構(gòu)型式、選用保溫材料種類很多。因此在直埋蒸汽管道開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域， 我國并不比發(fā)達國家落后。
1.2、一方面肯定研究、開發(fā)方面的寶貴經(jīng)驗，另一方面也應(yīng)清醒地認識到目前我國蒸汽管道直埋敷設(shè)技術(shù)在研究、設(shè)計、生產(chǎn)、材料、檢測等方面，尚存在著理論、技術(shù)、管理 等方面諸多問題，距這項技術(shù)的完善還有很大距離。筆者通過對南、北方一些工程事故調(diào)研 發(fā)現(xiàn)，由于基礎(chǔ)理論研究滯后于開發(fā)，設(shè)計計算不確，產(chǎn)品粗制濫造，施工馬虎從事，運行 違規(guī)操作等，造成部分蒸汽管道直埋不久便出現(xiàn)“跑、冒、漏、傷”，“帶病運行”問題， 遺患于后，危及安全生產(chǎn)。在此種情況下，應(yīng)冷靜、客觀地對以往的實踐進行實事求是的科 學分析、研究、總結(jié)，繼而加強科研力度，以促進蒸汽管道直埋技術(shù)的進一步提高和完善。
二、對直埋蒸汽管道幾個關(guān)鍵技術(shù)的思考與探討
蒸汽管道直埋技術(shù)是一項涉及熱力學、材料力學、巖土力學、流體力學以及有機材料、 無機材料、防腐、電化學等多學科的系統(tǒng)工程，而且投入生產(chǎn)后是動態(tài)運行，所以蒸汽管道 直埋敷設(shè)與熱水管道直埋敷設(shè)相比較，技術(shù)復(fù)雜的多。據(jù)有關(guān)專家總結(jié)，直埋蒸汽管道通常 有三大系統(tǒng)，十三個結(jié)點處理，每一項處理不當，就會立即或即將造成工程事故，隱患性很 大。篇幅所限，不能展開討論，下面僅對幾個關(guān)鍵技術(shù)提幾點參考意見，以期“拋磚引玉” 。
2.1、關(guān)于保溫結(jié)構(gòu)計算
2.1.1、蒸汽管道直埋敷設(shè)與架空、地溝敷設(shè)傳熱狀態(tài)不同，架空敷設(shè)是向無限空間傳 熱，地溝敷設(shè)是熱介質(zhì)通過保溫材料、流動空氣層、溝壁等以不同傳熱狀態(tài)向周圍土壤傳熱 ，而直埋敷設(shè)，簡化講熱介質(zhì)是向周圍土壤按一維穩(wěn)態(tài)傳熱，土壤可視為保溫結(jié)構(gòu)一部分。 以目前國內(nèi)常用的內(nèi)滑動式復(fù)合結(jié)構(gòu)蒸汽保溫管為例，計算過程中首先應(yīng)劃定三個界面溫度。
無機保溫材料與有機保溫材料接觸處可視為第一界面，外保護層與土壤接觸處視為第二 界面，地表與空氣接觸面視為第三界面。計算時應(yīng)先控制三個界面溫度，第一界面溫度控制 在有機材料耐溫能力以下；第二界面溫度應(yīng)控制保護層的防腐、防水及機械性能不遭受大幅 度衰減或破壞；第三界面溫度則控制不會因界面溫度升高而使得管道周圍土壤熱阻值提高， 從而造成第一、二界面溫度升高破壞保溫結(jié)構(gòu)。所以在保溫結(jié)構(gòu)計算過程中，應(yīng)校核當?shù)貥O 高、極低環(huán)境溫度的影響，必要時應(yīng)適當調(diào)整保溫結(jié)構(gòu)各層保溫材料的厚度，以確保保溫結(jié) 構(gòu)安全。同時，計算過程中不能簡單地按架空管道保溫結(jié)構(gòu)或按<通則>中公式進行計算，而 應(yīng)結(jié)合節(jié)能50％，管網(wǎng)輸送效率提高到大于90％的要求（“直埋蒸汽管道保溫結(jié)構(gòu)研究與計 算”，《區(qū)域供熱》2001年第1期）。
2.1.2、保溫計算中，對土壤、保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)選取不能草率，這兩個系數(shù)的選取 正確與否，往往影響保溫效果和管道運行安全性。
土壤的導(dǎo)熱系數(shù)在0.5～2.5w/m.k之間，跨度很大，其大小與土壤種類、含水量大小、 化學成分、埋設(shè)條件等多種因素有關(guān)。在工程設(shè)計時應(yīng)堅持實測當?shù)赝寥缹?dǎo)熱系數(shù)或求助當 地地質(zhì)部門提供資料，認真確定土壤導(dǎo)熱系數(shù)值。如果只根據(jù)“無資料可查時取1.5w/m.k” 確定土壤導(dǎo)熱系數(shù)不是科學的，因為不能確切反映管道所處的土壤實際情況，造成計算結(jié)果 誤差很大。例如南方高水位地區(qū)和西部干燥地區(qū)的土壤導(dǎo)熱系數(shù)值相差成倍，那么保溫結(jié)構(gòu) 計算結(jié)果也會差異很大，如果草率計算，會造成管道表面溫度過高或過低，破壞管道保護層 或不經(jīng)濟。所以，應(yīng)使用當?shù)貙崪y土壤導(dǎo)熱系數(shù)值來計算。石家莊供熱指揮部等單位堅持實 測導(dǎo)熱系數(shù)的做法是科學態(tài)度。
對各種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，不能簡單以廠家提供的單體數(shù)值為準，而應(yīng)搞清楚該數(shù)值 是在何種溫度，何種條件，哪一級檢測部門測定的，有否導(dǎo)熱系數(shù)方程式。然后盡量參照行 業(yè)標準確定的導(dǎo)熱方程式來選取、確定導(dǎo)熱系數(shù)。例如微孔硅酸鈣，筆者見過幾個廠家標出 的導(dǎo)熱系數(shù)都不同，這時應(yīng)憑據(jù)標準GB/T10699－1998〈硅酸鈣絕熱制品〉相關(guān)條文選取， 送樣檢測后確定導(dǎo)熱系數(shù)。
2.2、保溫結(jié)構(gòu)型式選擇應(yīng)因地制宜
由于蒸汽管道介質(zhì)溫度高，保溫結(jié)構(gòu)不可能做成像直埋熱水管道那樣“三位一體”，需 要做成“脫開式”，即工作鋼管與保溫層或外護層脫開。
2.2.1、國外基本是采用鋼外護層
德國、美國采用外滑動式，即綁縛著保溫材料的工作鋼管在鋼外護層內(nèi)滑動。只有意大 利薩克索姆公司是采用工作鋼管在保溫層內(nèi)滑動，即內(nèi)滑動式（但他們沒有設(shè)內(nèi)滑動層）。 實事求是講，國外對于蒸汽直埋技術(shù)基礎(chǔ)理論研究及實驗并不深入，只是由于他們國家的經(jīng) 濟條件、技術(shù)條件等優(yōu)越，制造工藝精細，外防腐技術(shù)指標高，施工要求嚴格，所以價格也 很高。
2.2.2、我國對于蒸汽管道直埋技術(shù)的研究與開發(fā)，是摸索前進的，在摸索保溫結(jié)構(gòu)型 式過程中，大致分為三個階段。
外護層：
第一階段：采用“塑套鋼”，型式，即外護層采用高密度聚乙烯，工程實踐發(fā)現(xiàn)，聚乙 烯耐溫能力太差，當局部熱流外泄，很容易造成外護層蠕變、鼓脹破壞，聚乙烯做外護層不 適用于蒸汽管道，目前已成為共識。
第二階段：采用玻璃鋼做外護層，而溫能力大大強于聚乙烯，加工工藝由于是采用纏撓 式，與采用聚乙烯管做保護層需要穿管比較，可以克服偏心，質(zhì)量有保證。但由于對玻璃鋼 制造工藝機理了解不透，采用了簡陋方式，同時，玻璃鋼外護層標準當時還沒有頒布。制造 的玻璃鋼外護層質(zhì)量低下，運輸、安裝過程中再違規(guī)操作，出現(xiàn)局部開裂破壞，動搖了采用 玻璃外護層的信心。
第三階段：仿照國外采用鋼外護層，即鋼地溝型式。由于國情所限，完全仿照國外，使 用單位經(jīng)濟難以承受，制造企業(yè)只能簡易從事，但它的“優(yōu)勢”是前二年、三年不易發(fā)現(xiàn)問 題，于制造商保一個運行循環(huán)有利，所以近期這種型式較為“走火”。不過建立開發(fā)、使用 單位應(yīng)冷靜考慮遺患未來問題，如防腐、電化學、檢修等問題。關(guān)于此問題還要詳細探討。
保溫層：
第一階段：主要采用巖棉、復(fù)合硅酸鹽氈與聚氨酯泡沫復(fù)合。工程事故教訓說明上述兩 種材料存在兩大問題，一是遇潮板結(jié)變形，二是支撐力不夠，特別較大管徑保溫管，很容易 被埋土壓扁破壞，現(xiàn)在已基本不再用。
第二階段：采用微孔硅酸鈣瓦與聚氨酯泡沫復(fù)合。由于硅酸鈣瓦之間有縫隙，當管道運 行后容易裂縫，造成局部熱流外泄，破壞有機保溫層和保護層，雖然采取了一些措施，但仍 未能保證熱流不外泄問題。
第三階段：多極化，“百花爭艷”，硅酸鈣、高密度玻璃棉管殼、硅珠復(fù)合材料等，現(xiàn) 在正在通過實踐檢驗。
2.2.3、通過上面敘述，說明蒸汽管道結(jié)構(gòu)型式在摸索過程中，廣大供熱科技人員和開 發(fā)商，確實注入了大量心血，但是，究竟哪一種結(jié)構(gòu)型式為最優(yōu)呢？筆者認為，目前還不是 肯定哪一種結(jié)構(gòu)型式為最優(yōu)的時候。應(yīng)當根據(jù)我國具體國情，繼續(xù)深入研究、實踐、總結(jié)。 現(xiàn)在標準所正組織部分科技人員編寫。文件中蒸汽管道技術(shù)條件，只提出要求，并沒有肯定 結(jié)構(gòu)型式。這很好，給今后深入研究、開發(fā)留有空間，是實事求是的科學態(tài)度。
我國地域廣闊，氣候、水文、地質(zhì)條件差異很大，不能簡單地像國外一些國家采用一種 模式。筆者通過近二年對南方、沿海、西部等地區(qū)調(diào)研認為，我國發(fā)展蒸汽管道直埋敷設(shè)技 術(shù)，在考慮我國經(jīng)濟條件情況下，應(yīng)因地制宜。例如南方主要矛盾是防水問題，沿海地區(qū)不 僅有防水問題，更關(guān)鍵是防止氯、硫氧化物腐蝕問題，而西部地區(qū)突出土壤熱阻問題。
沿海地區(qū)采用鋼套鋼型式，外護層防腐解決困難，而采用按“標準”制造的玻璃鋼外護 層既能防水更能防腐，而城市主要街道地區(qū)敷設(shè)的管道和由電廠通過野外向城區(qū)輸送蒸汽的 管道又不宜同等對待。前者要求嚴格些，后者則可簡易些。西部地區(qū)干旱，地下水位低，解 決的主要矛盾是土壤熱阻值等問題，因此，保溫層采用廉價的材料，例如硅珠復(fù)合材料（硅 珠與粉煤灰復(fù)合）。而外護層也不一定采用價高的鋼外護層，所以，不同地區(qū)當選用蒸汽保 溫結(jié)構(gòu)時，一定要根據(jù)當?shù)氐臍夂�、水文、地質(zhì)、經(jīng)濟以及介質(zhì)溫度高低、管徑大小等，全 面、認真地進行經(jīng)濟、技術(shù)比較，論證后確定方案，不能盲目草率仿照其它地區(qū)。
2.3、對“外滑動鋼套鋼”結(jié)構(gòu)型式的探討
目前，國內(nèi)采用的“外滑動式鋼套鋼”結(jié)構(gòu)型式（鋼地溝）基本上是仿照國外直埋蒸汽 管道型式，供熱行業(yè)為了實現(xiàn)“跨躍式發(fā)展”，需要引進國外先進技術(shù)。但應(yīng)該認真學習、 吸收、消化后再“為我所用”，而不能簡單地根據(jù)國外產(chǎn)品商業(yè)廣告說明書，“看圖識字” 、“照貓畫虎”。筆者通過與國外公司交流和國內(nèi)采用外滑動式鋼套鋼直埋蒸汽管道工程調(diào) 研發(fā)現(xiàn)，下列幾個問題共同探討。
2.3.1、外套鋼管的防腐問題：國外對外套鋼管防腐極為重視，要求嚴格，他們對鋼套 管內(nèi)外側(cè)防腐都有措施。歐洲如德國，鋼套管外側(cè)是采用涂刷防腐材料后再纏HDPE，耐電擊 穿強度要求達到20000V以上（BULUC公司21000V），內(nèi)側(cè)面則采用抽成真空（設(shè)真空泵房保 持），衰減腐蝕條件；美國則是在鋼套管外側(cè)面噴涂20～30mm厚聚氨脂絕緣層后再噴涂2mm 左右玻璃纖維樹脂（玻璃鋼），類似我國采用玻璃鋼做外護層的熱水預(yù)制保溫管，內(nèi)側(cè)面是 采用抽真空或噴涂刷陶瓷防腐材料，外側(cè)防腐層耐電擊穿強度也要求達到20000V以上。
國內(nèi)目前鋼套管外側(cè)面只采用涂刷富鋅、環(huán)氧煤瀝青防腐涂料，據(jù)測試耐電擊穿能力只有5000V 左右，鋼套管內(nèi)側(cè)面防腐一般就不考慮了，而鋼套管內(nèi)側(cè)面由于處于高濕熱條件下，又有空 氣，會加速鋼套管內(nèi)側(cè)面的腐蝕速度。國內(nèi)目前有個別廠家已經(jīng)注意到上述問題。對鋼套管 外側(cè)面已開始采用類似美國的方法，但鋼套管內(nèi)側(cè)面尚未加強防腐措施。
因此，目前國內(nèi)對鋼套管的防腐措施，特別是在高水位地區(qū)，能否保證鋼套管達到標準界定的蒸汽管道壽命大 于20年，尚需我們拿出有利的科學依據(jù)。應(yīng)提醒：埋入地下的蒸汽管道三年五載不出問題， 并不等于20年沒問題！因此，建議國內(nèi)同行應(yīng)進一步加強研究，拿出既適合國情，又保證外 套鋼管壽命的科研成果。
2.3.2、鋼套管橢圓化變形帶來的麻煩和解決方法，根據(jù)材料力學理論，常規(guī)壁厚的鋼 管當直徑超700mm，會因橢圓效應(yīng)產(chǎn)生橢圓變形，使得力學計算復(fù)雜化。當介質(zhì)溫度超過300 ℃，一般DN>400mm的工作管，鋼套管直徑就有可能超過700mm，鋼套管橢圓變形就會產(chǎn)生。 埋地鋼套管橢圓化變形主要與兩個因素有關(guān)：A、鋼套管上面作用的垂直荷載，包括隨埋深 增加而加大的土壤荷載和隨埋深增大而減小的車輛等活荷載；B、鋼管的截面參數(shù)，在相同 的垂直荷載作用下，鋼管半徑越大，橢圓化變形越大，管壁越厚，橢圓化變形越小。
鋼套管橢圓化變形，如超過一定限值，會造成局部失穩(wěn)破壞，即使沒有達到失穩(wěn)破壞程 度，如果預(yù)留縫隙與計算變形不符，滑動支架變形、卡腿、斷腿必定會發(fā)生，造成管道系統(tǒng) 破壞。
為了控制因橢圓化變形造成管道破壞，在進行外滑動鋼套結(jié)構(gòu)型式設(shè)計、生產(chǎn)時，應(yīng)按 有關(guān)規(guī)范，認真計算，將橢圓化變形率控制在3％以內(nèi)，同時，滑動支架與鋼管內(nèi)壁間隙應(yīng) 與之適應(yīng)。關(guān)于計算方法及公式，將另文介紹。
2.3.3、國外對保溫材料如何長期包縛在工作鋼管上，是有著嚴格技術(shù)措施的，他們采 用特殊的防腐蝕鋼材帶包縛保溫材料，間距也有具體要求。如果簡單地用細鉛絲或塑料帶包 縛保溫材料。在高濕熱條件下，經(jīng)過一段時間鉛絲銹斷，塑料帶老化，造成保溫材料脫落， 保溫結(jié)構(gòu)破壞。
2.3.4、內(nèi)工作鋼管保溫層外表面與鋼套管內(nèi)壁的間距尺寸并不隨意，而是將這個空間 作為輻射傳熱的保溫層，空間不能產(chǎn)生流動氣流。國外是抽真空達到防止產(chǎn)生氣流，國內(nèi)由 于條件所限，采用抽真空措施，暫時還難以實現(xiàn)。但預(yù)留的空氣層厚度不能隨意，一般不大 于20mm，以防止空氣對流產(chǎn)生，提高隔熱效果。
2.3.5、某些節(jié)點處理也存在不安全性和檢修難。如將波紋補償器安裝在外鋼套管內(nèi)， 一旦破壞，如何確定位置、如何檢修均尚沒有明確、成熟的方法，其它像國內(nèi)固定支架、疏 水裝置等同樣存在上述問題。
還有其它諸多因素不一一列舉。通過以上幾點只是想說明在引進國外技術(shù)時，應(yīng)該真正 “吃透”后，再“為我所用”。同時，目前對“鋼套鋼”結(jié)構(gòu)型式，尚不應(yīng)簡單肯定，需進 一步深入研究、實驗，拿出經(jīng)濟、技術(shù)符合我國國情，又不會造成遺患于后的鋼套鋼結(jié)構(gòu)型式方案。
2.4、關(guān)于內(nèi)固定支架
由于蒸汽管道熱伸長量大，為了保證管道有效地實現(xiàn)熱脹冷縮，需要設(shè)置固定支架。 如果還是按外固定設(shè)置方法，由于蒸汽管道溫度高，補償段短，固定墩設(shè)置多，尺 寸大，這樣一是增大工程量，二是造成施工難度。為解決這項技術(shù)難點，通過對國內(nèi)外充分 調(diào)研、交流，我校于1995年立題研究，題目是：《蒸汽管道內(nèi)固定支架試驗方法研究》，并 上了一名研究生專題研究了三年。在研究過程中曾得到蔡啟林教授、姚約翰總工、楊明學研 究員等專家熱誠指導(dǎo)，課題完成了，但為什么至今沒有向社會發(fā)表，原因是有些問題尚需要 深入探討，鑒于目前已有單位使用，為了安全，現(xiàn)將兩個主要技術(shù)問題予以簡要說明，供參考。
2.4.1、計算理論依據(jù)：根據(jù)彈性力學理論，內(nèi)固定支架是采用薄壁小圓環(huán)理論進行計 算，這種計算方法的邊界條件要求內(nèi)外鋼環(huán)必須緊密結(jié)合，受力均勻，但施工過程中很難達 到要求，如果采取沿管道周邊分幾片組成不連續(xù)圓環(huán)，更不可能達到邊界條件要求。所以需 要進一步研究、探討可以滿足計算邊界要求的施工技術(shù)措施，否則運行后會產(chǎn)生不安全因素 。
2.4.2、為了防止冷橋作用，熱流外泄，內(nèi)固定支架的內(nèi)外環(huán)采用石棉橡膠墊隔熱。采 用石棉橡膠墊，有兩個問題需要考慮。
A、石棉橡膠熱老化問題，一般蒸汽管道壽命介定大于20年，石棉橡膠墊肯定達不到（ 由于橡膠原因），一旦石棉橡膠老化粉化，不僅隔熱目的達不到，而且造成結(jié)構(gòu)破壞，影響 管道安全運行。
B、根據(jù)石棉橡膠墊導(dǎo)熱系數(shù)計算，每10mm只能隔熱26℃左右，如果介質(zhì)溫度高，又要 控制外套鋼管的表面溫度，則石棉橡膠墊需要很厚，難以實現(xiàn)。
為此，我校正研究采用新型隔熱材料取代橡膠墊。
2.5、固定墩微量變形與力衰減
即使采用了內(nèi)固定支架方法，一個管網(wǎng)總是有的地方還要采用外固定支架，例如拐彎處 、出土端等。由于蒸汽管道產(chǎn)生的熱應(yīng)力高，特別是大管徑管道產(chǎn)生的推力數(shù)以百噸計，如 果按固定墩沒有微量位移進行結(jié)構(gòu)計算。大管徑固定墩的尺寸會非常大，甚至無法實施。土 壤不是剛性體，埋在土內(nèi)的固定墩，在推力作用下，事實上是會產(chǎn)生微量變形的，如果主觀 不承認這個客觀事實，不是科學態(tài)度。建議采用允許固定墩微量位移的方法設(shè)計固定墩，以 達到推力大幅度衰減目的，這一觀點已逐步被國內(nèi)外接受。我校也已經(jīng)對這一課題進行了專題研究。
通過理論計算、工程實踐研究表明：允許固定墩微量位移（一般控制在30mm內(nèi)）， 可以將固定墩承受的推力衰減50～70％。我們不僅在實驗室進行了模擬實驗，而且在內(nèi)蒙伊 敏河煤電集團、河南永城煤電集團等大管徑管道工程進行了實踐，取得了預(yù)期成果，前不久 某市大管徑管道工程，計算固定墩承受的推力600多噸，按一般結(jié)構(gòu)確定的固定墩尺寸之大 ，在城市根本無法實施，經(jīng)過建議采用微量位移法，推力衰減到200多噸。
三、結(jié)束語
通過以上對直埋蒸汽管道設(shè)計、開發(fā)中幾個主要關(guān)鍵技術(shù)的思考與探討。說明直埋蒸汽 管道技術(shù)比較復(fù)雜，有諸多問題尚未解決，需要深入研究和實踐。因此，生產(chǎn)和科技、院校 應(yīng)協(xié)同合作，繼續(xù)加強科研力度，共同促進直埋蒸汽管道進一步完善和發(fā)展。
