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直埋式預(yù)制保溫管的熱補償和設(shè)計的應(yīng)用實況

直埋式預(yù)制保溫管的熱補償和設(shè)計的應(yīng)用實況

1 前言
直埋式預(yù)制保溫管，特別是各式各樣的保溫結(jié)構(gòu)型式的城鎮(zhèn)集中供熱或“熱、電、冷”三聯(lián)供的蒸汽管道正在國內(nèi)外應(yīng)用，方興未艾。直埋管道的熱補償是重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于設(shè)計、制作、施工或生產(chǎn)操作上的多種原因，曾發(fā)生多起嚴(yán)重事故，造成不應(yīng)有的人身傷亡和嚴(yán)重經(jīng)濟損失。根據(jù)多年研究、工程實踐和文獻(xiàn)資料，就直埋式預(yù)制高溫保溫管道的熱補償?shù)脑O(shè)計和存在問題，做一專題分析。

2 熱補償方式
在國內(nèi)外直埋式預(yù)制保溫管應(yīng)用中，為克服因溫差(使用溫度和安裝溫度之差)造成的熱力管道脹縮和位移變化，設(shè)計上多采用以下4種方式進(jìn)行補償。
(1)管道（管件）的預(yù)熱（預(yù)拉伸）：國外一些大公司通常在直徑小于500 mm的管道中采用，但不廣泛；
(2)自然補償：設(shè)計柔性管件如彎頭、L型或之型彎管進(jìn)行熱補償，這是國內(nèi)外采用較多的方式之一； (3)一次性補償：設(shè)一次性補償器，在安裝試運行后，焊死，此法國內(nèi)外都有采用；

(4)設(shè)補償器：隨介質(zhì)溫度變化，管道脹縮、補償器對應(yīng)縮伸、吸收應(yīng)力和位移進(jìn)行熱補償。 補償器近年發(fā)展極快，在直埋式管道中應(yīng)用也為廣泛，型式有波紋式（內(nèi)壓、外壓、單雙向、變推力的平衡式、半平衡式及鉸鏈?zhǔn)剑⑻淄彩剑幼畏?、雙密封、彈簧壓封及無推力式）以及老式∏型（方型）等。
由于波紋補償器設(shè)計采用多，暴露出的問題也較充分，很需要我們研究、認(rèn)識和改進(jìn)。 本文僅就自然補償和補償器補償2種方式進(jìn)行討論。

直埋式預(yù)制保溫管的熱補償和設(shè)計的應(yīng)用實況

3 熱伸長量的計算和補償設(shè)計
為使直埋熱力管道在熱狀態(tài)下穩(wěn)定和安全操作，減小管道熱脹冷縮時產(chǎn)生的應(yīng)力，防止管道*破壞和位移變化破壞保溫結(jié)構(gòu)，增大熱損失，必須進(jìn)行熱力管道熱伸長量的計算及補償設(shè)計。 3.1 熱力管道熱伸長量的計算 △L=α(t1-t2)L
式中 △L－管道熱伸長量(m)；
α－管道在相應(yīng)溫度范圍內(nèi)的線脹系數(shù)［m／(m.℃)］； L－計算管道長度(m)； t1－管道安裝溫度(℃)；
t1－管道設(shè)計使用（介質(zhì)）溫度（℃） 3.2 補償設(shè)計
(1)管道熱應(yīng)力、強度的設(shè)計、計算；
(2)補償單元的設(shè)計、選擇（包括自然補償件或補償器）； (3)保溫結(jié)構(gòu)的綜合分析和設(shè)計；
(4)引安全運行壽命，特別是長期震動下的疲勞壽命問題。
除(1)、(2)外，(3)、(4)2點對高溫蒸氣預(yù)制直埋管道尤為重要，不單要考慮熱損失、能耗問題，對于剛性的內(nèi)外管結(jié)構(gòu)，還要考慮應(yīng)力和強度的影響。

4 自然補償
所謂自然補償，就是管道中發(fā)柔性彎曲管段0口彎頭，L型、Z型彎管）吸收管道熱伸長變形。 此方式優(yōu)點：簡單、可靠；缺點：產(chǎn)生橫向位移，不單是在彎頭處，在直線段也發(fā)生相應(yīng)位移，其保溫結(jié)構(gòu)應(yīng)做充分考慮、設(shè)計。
近年來的深入研究表明，直埋管道由于保溫結(jié)構(gòu)型不同，已不能*套用架空或地溝敷設(shè)管道自然補償力算，因?qū)嵺`表明若套用將出現(xiàn)極大的偏差，已造成多處破壞、泄漏事故發(fā)生。

4.1 設(shè)計原則

(1)轉(zhuǎn)角不小于70°，否則將出現(xiàn)應(yīng)力急劇上升，易發(fā)生問題； (2)轉(zhuǎn)角大于150°，不起自然補償作用； (3)L型長臂不宜大于20～25 m。
(4)彎曲許用應(yīng)力σ(Q235材質(zhì))不大于78.5 MPa。 4.2 彎管長度計算 (1)L型（見圖1a）
l＝1.1×（△LD／300）1/2 式中 l－彎管長度(m)；
△L－長臂L的伸長量(mm)； D－管道外徑(mm)。 (2)Z型（見圖1b）
式中 l－彎管長度(m)；}
E－管道材料彈性模量(MPa)； D－管道外徑(mm)；
〔σbw〕－管道彎曲許用應(yīng)力(MPa)； k－L1/L2；
△t－設(shè)計計算的管道介質(zhì)溫度與安裝溫度差(℃)。 圖1 L型與Z型彎管示意
研究表明，90°彎頭大環(huán)向應(yīng)力出現(xiàn)在彎頭頂部，大軸向應(yīng)力出現(xiàn)在彎頭頂部稍靠彎頭凸面一側(cè)，與大環(huán)向應(yīng)力處相差15°～20°。由于彎頭處有焊口而綜合應(yīng)力又大，是L型自然補償?shù)谋∪醐h(huán)節(jié)、危險的部位，因此設(shè)計時應(yīng)充分注意這點。采用整管熱（冷）煨，減少焊口，并適當(dāng)增加管壁厚度及應(yīng)力消除處理，是一條有效途徑。
實驗研究表明，隨著彎頭夾角變化在20°時出現(xiàn)大應(yīng)力峰值，隨角度增加應(yīng)力值迅速減小，這也正是設(shè)計時盡量避免出現(xiàn)小于70°的夾角彎頭所在。
Z型自然補償研究表明，直埋時“Z”管段受力與采用地溝敷設(shè)時受力差別較大，即管溝、“Z”形管段危險點在長管L的兩頭；而直埋管受力危險點是在管道強度薄弱部位，即彎頭同直管段的兩個焊口處（也是側(cè)向位移大處）。
對于內(nèi)滑動保溫結(jié)構(gòu)，其保溫層對管道的摩擦，不僅與管道的軸向位移有關(guān)，還與其內(nèi)管道的橫向位移相關(guān)，在彎頭的中部存在著大的彎矩，因此保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)充分認(rèn)識到這點，并做有力的技術(shù)處理。某工程實踐，彎頭同兩直管段接頭口，其內(nèi)應(yīng)力是地溝時的幾倍，造成焊口處疲勞斷裂。 5 補償器補償
5.1 常用直埋補償器類型和特點(見表1) 表1 我國常用的直埋補償器類型及結(jié)構(gòu)特點

自身平衡

隨著科技進(jìn)步，補償器制造和設(shè)計水平不斷提高：為消除內(nèi)應(yīng)力或殘余應(yīng)力，有的單位進(jìn)行了高溫固熔處理；為解決土壤中氯離子腐蝕，采用粉未熱噴涂技術(shù)，在金屬波紋管表明噴涂SEBF環(huán)氧粉未，經(jīng)長期疲勞實驗和工程應(yīng)用表明，效果良好；為解決大管徑、高壓力熱力管道盲板力過大，.減小固定墩推力而發(fā)明的變推力波紋補償器（平衡式、半平衡式）曾在第三屆動力會議上宣講，并已在工程中試用。也獲得良好效果；以及補償器外殼端頭密封防水設(shè)計技術(shù)：套筒式雙端面嚴(yán)封補償器在直埋使用中5～8年加注一次等，都有明顯的進(jìn)展。球型補償器補償能力雖是∏型的5～10倍，變形應(yīng)力低，僅為波紋補償器的1／2～1／3，流體阻力也小，僅為波紋補償器的60%～70%，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，密封難，直埋管道中不宜采用。
5.2 近年來補償器發(fā)生較多的問題
自我國引進(jìn)國外制造技術(shù)以來，補償器制造技術(shù)發(fā)展很快，遍布全國。由于設(shè)計、制造和使用操作上諸多原因，發(fā)生多種類型補償器損壞事故，如：
(1)水質(zhì)處理不好，嚴(yán)重的氯離子腐蝕不銹鋼（點蝕及應(yīng)力、電化學(xué)腐蝕）； (2)長期低頻震動下，0.5 mm導(dǎo)流板斷裂、吹掉； (3)疏水不好，造成嚴(yán)重的汽水沖擊，打（震）破波紋； (4)安裝偏轉(zhuǎn)或設(shè)計不當(dāng)，造成軸向或徑向失穩(wěn)、破壞； (5)固定墩設(shè)計過小發(fā)生滑移，造成波紋補償器扭曲變形破壞；
(6)因粗制濫造，質(zhì)量不合設(shè)計要求或無限增大單個補償器的補償量等結(jié)構(gòu)和質(zhì)量方面的原因造成的事故更是時有發(fā)生。
5.3 補償器的設(shè)計和選擇原則
補償器是整個直埋管線系統(tǒng)中薄弱的環(huán)節(jié)，因此設(shè)計選型時應(yīng)堅持： (1)安全可靠，保證正常生產(chǎn)（包括設(shè)計及制造技術(shù)依托、質(zhì)保體系）。 (2)經(jīng)濟性（造價低或適中）；
(3)壽命長（正常操作，在15年以上）；
(4)結(jié)構(gòu)合理，密封防水、保溫好，直埋使用。對設(shè)在井室內(nèi)，則另當(dāng)別論。 5.4 補償器設(shè)計選擇要點
在“城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程”中規(guī)定，補償能力大于1.1倍熱伸長或1.2倍熱伸長的基礎(chǔ)上，建議高溫蒸氣熱力管道補償器選擇原則： (1)公稱壓力選擇高1檔的產(chǎn)品；
(2)設(shè)計溫度選擇高1檔的溫度較正系數(shù)；
(3)疲勞壽命按點的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)7000次選擇，即通常工作壓力/公稱壓力為75%，工作位移/額定位移為70%，留有充分裕量。
在滿足熱力管道主線管道設(shè)計的上述3點基本要求外，控制金屬年腐蝕率在0.1mm，密封性*，管道設(shè)計壓力不低于4MPa，B、C類管道不低于2MPa，一般均可保障直埋管線壽命在15年以上。 除上述幾點外，根據(jù)我們的工程實踐，以下經(jīng)驗值得借鑒：(1)采用波紋補償器時，其內(nèi)導(dǎo)流筒改用3～5mm Q235鋼板制作為宜，以提高抗震性能；(2)補償器兩端接口適當(dāng)加長，有利于外保溫密封防水或現(xiàn)場接口操作；(3)雙向?qū)Я靼逶瓌t上不宜采用；(4)對套筒式雙嚴(yán)封補償器要設(shè)限位圈，以防止過拉伸脫殼。 對于內(nèi)滑動多點滾珠式及外滑動鋼套鋼滾輪式直埋保溫管道補償器的設(shè)計，可按地溝敷設(shè)方式處理。