當(dāng)前直埋蒸汽管道在國內(nèi)很多工程設(shè)計(jì)中已有較多的應(yīng)用,這主要是因?yàn)橹甭裾羝艿兰夹g(shù)的日趨成熟,應(yīng)用市場(chǎng)的廣泛和它與傳統(tǒng)的架空敷設(shè)或地溝敷設(shè)相比具有多方面的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。下面就直埋蒸汽管道設(shè)計(jì)談一點(diǎn)體會(huì):
1、直埋蒸汽管道的設(shè)計(jì)與計(jì)算
1.1 直埋蒸汽管道結(jié)構(gòu)的選擇
目前,直埋管道的結(jié)構(gòu)形式有很多,其中主要有以下幾種:
、 工作鋼管+軟質(zhì)保溫層+外護(hù)鋼管+防腐層;
、 工作鋼管+軟質(zhì)保溫層+外護(hù)鋼管+聚氨酯保溫層+纏繞玻璃鋼夾克;
、 工作鋼管+軟質(zhì)保溫層+鋁箔反射層+空氣隔熱層+外護(hù)鋼管+防腐層;
、 工作鋼管+硬質(zhì)保溫層+聚氨酯保溫層+纏繞玻璃鋼夾克。
直埋管道結(jié)構(gòu)形式的選擇主要依據(jù)輸送介質(zhì)的設(shè)計(jì)參數(shù)和當(dāng)?shù)氐膶?shí)際條件,如:土壤條件、地下水位條件等,對(duì)管網(wǎng)的安全運(yùn)行和工程造價(jià)也必須給予足夠的重視。在兗礦甲醇項(xiàng)目廠前區(qū)部分直埋蒸汽管道的設(shè)計(jì)中,我們采用了外護(hù)鋼管的結(jié)構(gòu)形式,這主要考慮到輸送的蒸汽溫度較高,非外護(hù)鋼管形式不能滿足設(shè)計(jì)要求。我們采用的外護(hù)鋼管直埋蒸汽管道的結(jié)構(gòu)形式是:工作鋼管+軟質(zhì)保溫層十鋁箔反射層+空氣隔熱層+外護(hù)鋼管+防腐層。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為鋼外殼具有整體連續(xù)性,強(qiáng)度高,密封性能好,一般不需要混凝土固定墩,施工周期短,占地面積小,適于淺埋。缺點(diǎn)為外護(hù)鋼管防腐要求較高,接口施工工藝較復(fù)雜。
1.2 管道及附件的布置
蒸汽直埋管道是由內(nèi)固定節(jié)或全固定節(jié)分割成段,每?jī)蓚(gè)固定節(jié)之間的管段為一膨脹單元,其長(zhǎng)度由應(yīng)力計(jì)算及補(bǔ)償器最大補(bǔ)償能力確定,每一膨脹單元設(shè)一個(gè)內(nèi)補(bǔ)償器,用以吸收膨脹量。
(1)全固定節(jié)或外固定節(jié):一般設(shè)置在管道起點(diǎn)、終點(diǎn)及限制內(nèi)外管或外管彎頭變形處,與彎頭的距離應(yīng)依據(jù)彎頭應(yīng)力計(jì)算確定,需設(shè)混凝土固定墩使其固定。
(2)加強(qiáng)型內(nèi)固定節(jié):承受推力較大,一般設(shè)置在限制內(nèi)管彎頭變形處,與彎頭的距離應(yīng)依據(jù)彎頭應(yīng)力計(jì)算確定,一般設(shè)置在彎頭附近較好。
(3)普通型內(nèi)固定節(jié):承受推力較小,為分割內(nèi)管控制熱伸長(zhǎng)用,一般設(shè)置在內(nèi)管兩補(bǔ)償器中間推力可以相互抵消處。
(4)內(nèi)補(bǔ)償器:為吸收內(nèi)管熱伸長(zhǎng)用,一般設(shè)置在加強(qiáng)型內(nèi)固定節(jié)一側(cè)或普通型內(nèi)固定節(jié)兩側(cè),設(shè)置數(shù)量或間距與工作鋼管工作參數(shù)有關(guān),應(yīng)依據(jù)管道應(yīng)力計(jì)算及補(bǔ)償器最大補(bǔ)償能力確定。
(5)外補(bǔ)償器:為吸收外護(hù)鋼管熱伸長(zhǎng)用,根據(jù)設(shè)計(jì)需要可設(shè)置也可不設(shè),如果采用一般是設(shè)置在全固定節(jié)或外固定節(jié)處。因外護(hù)鋼管溫度變化較小,設(shè)置數(shù)量很少。本工程不設(shè)外補(bǔ)償器。
(6)疏水節(jié):管道變坡低點(diǎn)及上下翻低點(diǎn),收集凝結(jié)水用。需另設(shè)疏水閥,疏水閥井設(shè)置在管道附近,排出口引至附近排水溝等處。
(7)排潮管:排潮管是用于排出保溫層中的潮氣,由廠家預(yù)制生產(chǎn),公稱管徑50 mm,一般約200m 設(shè)一個(gè),地下水位較高時(shí)適當(dāng)縮短距離,并應(yīng)保證波紋補(bǔ)償器、固定節(jié)排氣暢通,排潮口引至地面以上隱蔽處并弧形下翻。
1.3 外護(hù)鋼管
外護(hù)鋼管與熱水直埋管道同屬于低溫管道,其工作原理是一樣的,也就是說直埋蒸汽管道外護(hù)鋼管的設(shè)計(jì)完全可以采用低溫?zé)崴甭窆艿赖脑O(shè)計(jì)理論,低溫?zé)崴甭窆艿啦捎玫母鞣N安裝方式完全可以用于蒸汽直埋管道外護(hù)鋼管。但外套鋼管因兩者的用途不同,工作條件不同,它們兩個(gè)仍存在著較大的差別,主要有:
(1) 熱水熱容量高,溫度便于控制,設(shè)計(jì)溫度在運(yùn)行時(shí)容易得到保證:蒸汽熱容量小,外套鋼管運(yùn)行時(shí)的溫度不僅取決于熱源溫度,也取決于管道保溫情況及熱負(fù)荷的波動(dòng)情況,因此比較難于控制。
(2) 熱水管道承受熱水壓力,而蒸汽外護(hù)鋼管不直接與工作介質(zhì)接觸,無內(nèi)壓,但采用內(nèi)固定節(jié)時(shí)會(huì)有較小的因內(nèi)固定節(jié)推力產(chǎn)生的應(yīng)力。
(3) 保溫層進(jìn)水時(shí),熱水管道會(huì)導(dǎo)致外護(hù)層局部破壞和工作管腐蝕加快:而對(duì)蒸汽管道來說,會(huì)導(dǎo)致煮管而產(chǎn)生大量的蒸汽,乃致長(zhǎng)距離
超溫。
(4) 與熱水直埋管道相比,蒸汽直埋外鋼套管直徑大,壁厚薄,容易發(fā)生局部屈曲?v上所述,直埋蒸汽外護(hù)鋼管雖然設(shè)計(jì)溫度往往低于熱水直埋管道,但其實(shí)際工作溫度引起的應(yīng)力很容易超過鋼材的屈服極限,因此要保證在制造、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行過程中管道不受潮不進(jìn)水,尤其多雨季節(jié)施工、地下水位較高的地區(qū)施工要做好防潮、防雨等防護(hù)工作。
2 管道節(jié)點(diǎn)的處理
2.1 排潮管
排潮管是用于排出保溫層中的潮氣一般做法是直接引出地面,這樣勢(shì)必容易造成人為毀壞從而給管網(wǎng)安全造成極大隱患。因此,排潮管以接入小井室為宜,且應(yīng)增加閥門,小井室中的閥門在管道定期排潮時(shí)打開,待潮氣排完后及時(shí)關(guān)閉,以防止排潮井中進(jìn)水形成倒灌。
2.2 疏水井
通常的疏水裝置將啟動(dòng)疏水器和經(jīng)常疏水器安裝在同一個(gè)疏水井中,由于排出的凝結(jié)水溫度較高,凝結(jié)水排至井中后迅速汽化,操作維修人員無法下到井室內(nèi),不利于后期的運(yùn)行管理和維修。如果將疏水裝置設(shè)在操作井內(nèi),將啟動(dòng)疏水器和經(jīng)常疏水器排水口設(shè)在附井內(nèi),或?qū)⑴潘谝赂浇潘疁蟽?nèi)便可解決這一問題。根據(jù)近年的經(jīng)驗(yàn),啟動(dòng)疏水管公稱管徑宜大于等于40mm,以防管網(wǎng)初運(yùn)行時(shí)堵塞。
2.3 全固定節(jié)及密封隔斷環(huán)板
全固定節(jié)的設(shè)計(jì)與區(qū)間閥門井的設(shè)計(jì)宜統(tǒng)一考慮,可減少全固定節(jié)體積,降低造價(jià)。對(duì)于采用外護(hù)鋼管的直埋蒸汽管道,應(yīng)在適當(dāng)?shù)奈恢?如在每個(gè)固定節(jié)處或間隔一個(gè)固定節(jié)處)增加密封隔斷環(huán)板,以防止某個(gè)隔斷區(qū)間內(nèi)發(fā)生蒸汽泄漏、保溫層進(jìn)水時(shí)對(duì)其他隔斷區(qū)間的影響,最大限度降低事故對(duì)整個(gè)管網(wǎng)保溫層的破壞。近年的工程實(shí)踐表明,由于增加密封隔斷環(huán)板而引起的熱橋效應(yīng)與管網(wǎng)的安全性相比是非常次要的。
3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析
3.1 在設(shè)計(jì)中外護(hù)鋼管比較工作鋼管的受力情況要復(fù)雜得多因此對(duì)外護(hù)鋼管的設(shè)計(jì)應(yīng)有高度的重視。
3.2 直埋蒸汽管道中,工作鋼管彎頭套在外護(hù)鋼管內(nèi),其伸縮受到約束,不適合自然補(bǔ)償。采取局部加大彎管自然補(bǔ)償能力的做法不節(jié)省投資,且容易破壞彎頭處保溫。因此在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量不利用彎管自然補(bǔ)償,即在靠近彎頭處加內(nèi)固定節(jié),由于內(nèi)固定節(jié)推力很小,結(jié)構(gòu)很小,所以投資小,而且運(yùn)行更安全可靠。
3.3 內(nèi)固定節(jié)焊接在外護(hù)鋼管上,外護(hù)鋼管對(duì)工作鋼管起到固定作用,同時(shí)外護(hù)鋼管也受到多個(gè)內(nèi)固定節(jié)的約束。外護(hù)鋼管還受土壤摩擦力約束,工作狀態(tài)與直埋熱水管道相似。由于其溫度低 (一般在50℃以下),溫升小,因此熱伸長(zhǎng)不會(huì)太大,部分熱變形受阻將會(huì)轉(zhuǎn)化為熱應(yīng)力存留下來,而且熱應(yīng)力較小,所以外固定節(jié)及外補(bǔ)償器可以不設(shè)。
3.4 由內(nèi)固定節(jié)推力計(jì)算可知,由于管道及介質(zhì)自重很小,使得工作鋼管受到的摩擦力很小,因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選用補(bǔ)償能力大的補(bǔ)償器,以增大膨脹單元的長(zhǎng)度,減少補(bǔ)償器的數(shù)量,減少事故點(diǎn)。
3.5 對(duì)地耐力較差、地下水位較高的地區(qū),根據(jù)有關(guān)資料介紹,可采取在鋼外護(hù)鋼管下設(shè)置混凝土基礎(chǔ)的做法。
4 結(jié)語
直埋蒸汽管的出現(xiàn)使高溫供熱管道直埋得以實(shí)現(xiàn),尤其是外護(hù)鋼管直埋蒸汽管由于可以不設(shè)外部土建構(gòu)筑物,解決了位置狹窄及施工周期短問題,并可以實(shí)現(xiàn)淺埋。工作鋼管應(yīng)力很小,運(yùn)行更加安全、可靠。由于鋼外護(hù)管直接埋于土中,易被腐蝕,其壽命直接決定著管道的整體壽命,因此,外護(hù)鋼管的防腐設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量應(yīng)引起高度重視。