直埋式聚氨酯保溫管道的熱補償和設計1　前言

　　直埋式預制保溫管道，特別是各式各樣的保溫結構型式的城鎮集中供熱或“熱、電、冷”三聯供的蒸汽管道正在國內外應用，方興未艾。直埋管道的熱補償是zui重要的關鍵技術之一，由于設計、制作、施工或生產操作上的多種原因，曾發生多起嚴重事故，造成不應有的人身傷亡和嚴重經濟損失。根據多年研究、工程實踐和文獻資料，就直埋式預制高溫保溫管道的熱補償的設計和存在問題，做一專題分析。

2　熱補償方式
在國內外直埋式預制高溫保溫管道應用中，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，設計上多采用以下4種方式進行補償。
（1）管道（管件）的預熱（預拉伸）：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：設計柔性管件如彎頭、L型或之型彎管進行熱補償，這是國內外采用較多的方式之一；
（3）一次性補償：設一次性補償器，在安裝試運行后，焊死，此法國內外都有采用；
（4）設補償器：隨介質溫度變化，管道脹縮、補償器對應縮伸、吸收應力和位移進行熱補償。
補償器近年發展極快，在直埋式管道中應用也，型式有波紋式（內壓、外壓、單雙向、變推力的平衡式、半平衡式及鉸鏈式）、套筒式（加注單封、雙密封、彈簧壓封及無推力式）以及老式∏型（方型）等。
由于波紋補償器設計采用zui多，暴露出的問題也較充分，很需要我們研究、認識和改進。
本文僅就自然補償和補償器補償2種方式進行討論。

3　熱伸長量的計算和補償設計
為使直埋熱力管道在熱狀態下穩定和安全操作，減小管道熱脹冷縮時產生的應力，防止管道*破壞和位移變化破壞保溫結構，增大熱損失，必須進行熱力管道熱伸長量的計算及補償設計。
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－管道在相應溫度范圍內的線脹系數［m／（m.℃）］；
L－計算管道長度（m）；
t1－管道安裝溫度（℃）；
t1－管道設計使用（介質）溫度（℃）
3.2　補償設計
（1）管道熱應力、強度的設計、計算；
（2）補償單元的設計、選擇（包括自然補償件或補償器）；
（3）保溫結構的綜合分析和設計；
（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，對于剛性的內外管結構，還要考慮應力和強度的影響。

4　自然補償
所謂自然補償，就是管道中發柔性彎曲管段0口彎頭，L型、Z型彎管）吸收管道熱伸長變形。
此方式優點：簡單、可靠；缺點：產生橫向位移，不單是在彎頭處，在直線段也發生相應位移，其保溫結構應做充分考慮、設計。
近年來的深入研究表明，直埋管道由于保溫結構型不同，已不能*套用架空或地溝敷設管道自然補償力算，因實踐表明若套用將出現極大的偏差，已造成多處破壞、泄漏事故發生。
4.1　設計原則
（1）轉角不小于70°，否則將出現應力急劇上升，易發生問題；
（2）轉角大于150°，不起自然補償作用；
（3）L型長臂不宜大于20～25 m。
（4）彎曲許用應力σ（Q235材質）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〕－管道彎曲許用應力（MPa）；
k－L1/L2；
△t－設計計算的管道介質溫度與安裝溫度差（℃）。

圖1　L型與Z型彎管示意

　　研究表明，90°彎頭zui大環向應力出現在彎頭頂部，zui大軸向應力出現在彎頭頂部稍靠彎頭凸面一側，與zui大環向應力處相差15°～20°。由于彎頭處有焊口而綜合應力又zui大，是L型自然補償的zui薄弱環節、zui危險的部位，因此設計時應充分注意這點。采用整管熱（冷）煨，減少焊口，并適當增加管壁厚度及應力消除處理，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zui大應力峰值，隨角度增加應力值迅速減小，這也正是設計時盡量避免出現小于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時受力差別較大，即管溝、“Z”形管段zui危險點在長管L的兩頭；而直埋管受力zui危險點是在管道強度zui薄弱部位，即彎頭同直管段的兩個焊口處（也是側向位移zui大處）。
對于內滑動保溫結構，其保溫層對管道的摩擦，不僅與管道的軸向位移有關，還與其內管道的橫向位移相關，在彎頭的中部存在著zui大的彎矩，因此保溫結構設計時應充分認識到這點，并做有力的技術處理。某工程實踐，彎頭同兩直管段接頭口，其內應力是地溝時的幾倍，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構特點

　　隨著科技進步，補償器制造和設計水平不斷提高：為消除內應力或殘余應力，有的單位進行了高溫固熔處理；為解決土壤中氯離子腐蝕，采用粉未熱噴涂技術，在金屬波紋管表明噴涂SEBF環氧粉未，經長期疲勞實驗和工程應用表明，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計技術：套筒式雙端面嚴封補償器在直埋使用中5～8年加注一次等，都有明顯的進展。球型補償器補償能力雖是∏型的5～10倍，變形應力低，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%，但結構復雜，密封難，直埋管道中不宜采用。
5.2　近年來補償器發生較多的問題
自我國引進國外制造技術以來，補償器制造技術發展很快，遍布全國。由于設計、制造和使用操作上諸多原因，發生多種類型補償器損壞事故，如：
（1）水質處理不好，嚴重的氯離子腐蝕不銹鋼（點蝕及應力、電化學腐蝕）；
（2）長期低頻震動下，0.5 mm導流板斷裂、吹掉；
（3）疏水不好，造成嚴重的汽水沖擊，打（震）破波紋；
（4）安裝偏轉或設計不當，造成軸向或徑向失穩、破壞；
（5）固定墩設計過小發生滑移，造成波紋補償器扭曲變形破壞；
（6）因粗制濫造，質量不合設計要求或無限增大單個補償器的補償量等結構和質量方面的原因造成的事故更是時有發生。
5.3　補償器的設計和選擇原則
補償器是整個直埋管線系統中zui薄弱的環節，因此設計選型時應堅持：
（1）安全可靠，保證正常生產（包括設計及制造技術依托、質保體系）。
（2）經濟性（造價低或適中）；
（3）壽命長（正常操作，在15年以上）；
（4）結構合理，密封防水、保溫好，直埋使用。對設在井室內，則另當別論。
5.4　補償器設計選擇要點
在“城鎮直埋供熱管道工程技術規程”中規定，補償能力大于1.1倍熱伸長或1.2倍熱伸長的基礎上，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檔的產品；
（2）設計溫度選擇高1檔的溫度較正系數；
（3）疲勞壽命按點的應力循環次數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，根據我們的工程實踐，以下經驗值得借鑒：（1）采用波紋補償器時，其內導流筒改用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加長，有利于外保溫密封防水或現場接口操作；（3）雙向導流板原則上不宜采用；（4）對套筒式雙嚴封補償器要設限位圈，以防止過拉伸脫殼。
對于內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計，可按地溝敷設方式處理。