直埋式预制高温保温管道的热补偿和设计

直埋式预制高温保温管道的热补偿和设计

1　前言
　　直埋式预制保温管道，特别是各式各样的保温结构型式的城镇集中供热或“热、电、冷”三联供的蒸汽管道正在国内外应用，方兴未艾。直埋管道的热补偿是最重要的关键技术之一，由于设计、制作、施工或生产操作上的多种原因，曾发生多起严重事故，造成不应有的人身伤亡和严重经济损失。根据多年研究、工程实践和文献资料，就直埋式预制高温保温管道的热补偿的设计和存在问题，做一专题分析。

2　热补偿方式
　　在国内外直埋式预制高温保温管道应用中，为克服因温差(使用温度和安装温度之差)造成的热力管道胀缩和位移变化，设计上多采用以下4种方式进行补偿。
　　(1)管道（管件）的预热（预拉伸）：国外一些大公司通常在直径小于500 mm的管道中采用，但不广泛；
　　(2)自然补偿：设计柔性管件如弯头、L型或之型弯管进行热补偿，这是国内外采用较多的方式之一；
　　(3)一次性补偿：设一次性补偿器，在安装试运行后，焊死，此法国内外都有采用；
　　(4)设补偿器：随介质温度变化，管道胀缩、补偿器对应缩伸、吸收应力和位移进行热补偿。
　　补偿器近年发展极快，在直埋式管道中应用也最为广泛，型式有波纹式（内压、外压、单双向、变推力的平衡式、半平衡式及铰链式）、套筒式（加注单封、双密封、弹簧压封及无推力式）以及老式∏型（方型）等。
　　由于波纹补偿器设计采用最多，暴露出的问题也较充分，很需要我们研究、认识和改进。
　　本文仅就自然补偿和补偿器补偿2种方式进行讨论。

3　热伸长量的计算和补偿设计
　　为使直埋热力管道在热状态下稳定和安全操作，减小管道热胀冷缩时产生的应力，防止管道超强破坏和位移变化破坏保温结构，增大热损失，必须进行热力管道热伸长量的计算及补偿设计。
3.1　热力管道热伸长量的计算
△L=α(t₁-t₂)L
式中　△L－管道热伸长量(m)；
　　　α－管道在相应温度范围内的线胀系数［m／(m^.℃)］；
　　　L－计算管道长度(m)；
　　　t₁－管道安装温度(℃)；
　　　t₁－管道设计使用（介质）温度（℃）
3.2　补偿设计
　　(1)管道热应力、强度的设计、计算；
　　(2)补偿单元的设计、选择（包括自然补偿件或补偿器）；
　　(3)保温结构的综合分析和设计；
　　(4)引安全运行寿命，特别是长期震动下的疲劳寿命问题。
　　除(1)、(2)外，(3)、(4)2点对高温蒸气预制直埋管道尤为重要，不单要考虑热损失、能耗问题，对于刚性的内外管结构，还要考虑应力和强度的影响。

4　自然补偿
　　所谓自然补偿，就是管道中发柔性弯曲管段0口弯头，L型、Z型弯管）吸收管道热伸长变形。
　　此方式优点：简单、可靠；缺点：产生横向位移，不单是在弯头处，在直线段也发生相应位移，其保温结构应做充分考虑、设计。
　　近年来的深入研究表明，直埋管道由于保温结构型不同，已不能完全套用架空或地沟敷设管道自然补偿力算，因实践表明若套用将出现极大的偏差，已造成多处破坏、泄漏事故发生。
4.1　设计原则
　　(1)转角不小于70°，否则将出现应力急剧上升，易发生问题；
　　(2)转角大于150°，不起自然补偿作用；
　　(3)L型长臂不宜大于20～25 m。
　　(4)弯曲许用应力σ(Q₂₃₅材质)不大于78.5 MPa。
4.2　弯管长度计算
　　(1)L型（见图1a）
　　　l＝1.1×（△LD／300）^1/2
式中　l－弯管长度(m)；
　　　△L－长臂L的伸长量(mm)；
　　　D－管道外径(mm)。
　　(2)Z型（见图1b）
　　
式中　l－弯管长度(m)；}
　　　E－管道材料弹性模量(MPa)；
　　　D－管道外径(mm)；
　　　〔σ_bw〕－管道弯曲许用应力(MPa)；
　　　k－L₁/L₂；
　　　△t－设计计算的管道介质温度与安装温度差(℃)。

图1　L型与Z型弯管示意

　　研究表明，90°弯头最大环向应力出现在弯头顶部，最大轴向应力出现在弯头顶部稍靠弯头凸面一侧，与最大环向应力处相差15°～20°。由于弯头处有焊口而综合应力又最大，是L型自然补偿的最薄弱环节、最危险的部位，因此设计时应充分注意这点。采用整管热（冷）煨，减少焊口，并适当增加管壁厚度及应力消除处理，是一条有效途径。
　　实验研究表明，随着弯头夹角变化在20°时出现最大应力峰值，随角度增加应力值迅速减小，这也正是设计时尽量避免出现小于70°的夹角弯头所在。
　　Z型自然补偿研究表明，直埋时“Z”管段受力与采用地沟敷设时受力差别较大，即管沟、“Z”形管段最危险点在长管L的两头；而直埋管受力最危险点是在管道强度最薄弱部位，即弯头同直管段的两个焊口处（也是侧向位移最大处）。
　　对于内滑动保温结构，其保温层对管道的摩擦，不仅与管道的轴向位移有关，还与其内管道的横向位移相关，在弯头的中部存在着最大的弯矩，因此保温结构设计时应充分认识到这点，并做有力的技术处理。某工程实践，弯头同两直管段接头口，其内应力是地沟时的几倍，造成焊口处疲劳断裂。

5　补偿器补偿
5.1　常用直埋补偿器类型和特点(见表1)

表1　我国常用的直埋补偿器类型及结构特点

　　随着科技进步，补偿器制造和设计水平不断提高：为消除内应力或残余应力，有的单位进行了高温固熔处理；为解决土壤中氯离子腐蚀，采用粉未热喷涂技术，在金属波纹管表明喷涂SEBF环氧粉未，经长期疲劳实验和工程应用表明，效果良好；为解决大管径、高压力热力管道盲板力过大，.减小固定墩推力而发明的变推力波纹补偿器（平衡式、半平衡式）曾在第三届国际动力会议上宣讲，并已在工程中试用。也获得良好效果；以及补偿器外壳端头密封防水设计技术：套筒式双端面严封补偿器在直埋使用中5～8年加注一次等，都有明显的进展。球型补偿器补偿能力虽是∏型的5～10倍，变形应力低，仅为波纹补偿器的1／2～1／3，流体阻力也小，仅为波纹补偿器的60%～70%，但结构复杂，密封难，直埋管道中不宜采用。
5.2　近年来补偿器发生较多的问题
　　自我国引进国外制造技术以来，补偿器制造技术发展很快，遍布全国。由于设计、制造和使用操作上诸多原因，发生多种类型补偿器损坏事故，如：
　　(1)水质处理不好，严重的氯离子腐蚀不锈钢（点蚀及应力、电化学腐蚀）；
　　(2)长期低频震动下，0.5 mm导流板断裂、吹掉；
　　(3)疏水不好，造成严重的汽水冲击，打（震）破波纹；
　　(4)安装偏转或设计不当，造成轴向或径向失稳、破坏；
　　(5)固定墩设计过小发生滑移，造成波纹补偿器扭曲变形破坏；
　　(6)因粗制滥造，质量不合设计要求或无限增大单个补偿器的补偿量等结构和质量方面的原因造成的事故更是时有发生。
5.3　补偿器的设计和选择原则
　　补偿器是整个直埋管线系统中最薄弱的环节，因此设计选型时应坚持：
　　(1)安全可靠，保证正常生产（包括设计及制造技术依托、质保体系）。
　　(2)经济性（造价低或适中）；
　　(3)寿命长（正常操作，在15年以上）；
　　(4)结构合理，密封防水、保温好，直埋使用。对设在井室内，则另当别论。
5.4　补偿器设计选择要点
　　在“城镇直埋供热管道工程技术规程”中规定，补偿能力大于1.1倍热伸长或1.2倍热伸长的基础上，建议高温蒸气热力管道补偿器选择原则：
　　(1)公称压力选择高1档的产品；
　　(2)设计温度选择高1档的温度较正系数；
　　(3)疲劳寿命按点的应力循环次数7000次选择，即通常工作压力/公称压力为75%，工作位移/额定位移为70%，留有充分裕量。
　　在满足热力管道主线管道设计的上述3点基本要求外，控制金属年腐蚀率在0.1mm，密封性A级，管道设计压力不低于4MPa，B、C类管道不低于2MPa，一般均可保障直埋管线寿命在15年以上。
　　除上述几点外，根据我们的工程实践，以下经验值得借鉴：(1)采用波纹补偿器时，其内导流筒改用3～5mm Q₂₃₅钢板制作为宜，以提高抗震性能；(2)补偿器两端接口适当加长，有利于外保温密封防水或现场接口操作；(3)双向导流板原则上不宜采用；(4)对套筒式双严封补偿器要设限位圈，以防止过拉伸脱壳。
　　对于内滑动多点滚珠式及外滑动钢套钢滚轮式直埋保温管道补偿器的设计，可按地沟敷设方式处理。