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淺談鋼套鋼蒸汽保溫鋼管補償與熱應力

來源:滄州盛邦管道集團有限公司   2020年12月20日 11:05  

淺談鋼套鋼蒸汽保溫鋼管補償與熱應力

       從安全角度,人們對蒸氣管網的重視遠遠高過熱水管網,事實也的確如此,因而無論是經驗豐
富理論精深的專家,還是施工現場的焊工,對焊工探傷的檢驗人員,莫不謹慎有加,對蒸汽保溫管
芯管絲毫不敢造次,但是對直埋保溫管鋼外殼管,很多人(甚至專家)則不以為然,這就是蒸汽直
埋管網事故因外殼處理不當所占比例居高不下的原因所在。
早期蒸汽保溫直埋管鋼外殼曾有人設置補償裝置,因較難操作很快就被“無補償”方式取代,
盡管有了外套管口徑大到 1200mm,可是幾乎沒有聽到有人對此擔心,和熱水保溫管不設補償器尤
其是大于 DN500mm 更不敢不設計補償器相比,構成了一副有趣的“近不怕水、遠不怕鬼”的圖象。


蒸汽管道當然泄漏不得,國家將熱力管道管件列入安全監察范圍之內,但是讀者如果去驗算一
下,在工業蒸汽可能達到的力(指管網而非鍋爐中)在厚徑比小的大口徑管中,鋼管壁中
的由內壓引起的應力也超不過許用應力,蒸汽管網中是一定設置補償器的,在管道軸向,只受到摩
擦力、彈性反力,大的一項是蒸汽壓力引起的封頭力,這些力合計引起的軸向應力對鋼管材質承
受能力都是微不足道的,軸向熱應力研究不是蒸汽管芯管的重要內容,相反,補償是蒸汽芯管需要
著重探討的課題[6],而蒸汽保溫管外套管的應力反倒是要認真加以研究的。
(1) 蒸汽直埋保溫管外套筒的熱應力
根據規范 CJJT 104-2014 《城鎮供熱直埋蒸汽管道技術規程》要求蒸汽直埋保溫管工作溫度應
不高于 50℃,這里需要特別強調的是:50℃是對直埋管作保溫熱工設計需要設計的極限。正常情
況下,外套鋼管應不高于 50℃,但是這并不是意味外套管溫度不會超過 50℃,架空敷設的蒸汽管
保溫層吸水的概率很小,但直埋敷設的情況就兩樣了,管溝里因雨積水常有發生,南方地區地表淺
層多水,管道泡在水里是很常見的事,稍有不慎管殼的保溫層便吸飽水分,保溫材料導熱系數增加,
一旦管網投入運行,外殼管上的排潮管會有大量蒸汽涌出,外殼管的溫度達到 100℃左右,這種情
形在外殼管不嚴密(制作不嚴,被破壞開裂)時,在工作管泄漏時也會發生。

 

淺談鋼套鋼蒸汽保溫鋼管補償與熱應力

        基于上述分析,蒸汽直埋保溫管外套管有兩個溫度值,50℃用來做保溫設計,100℃用來作外

套鋼管應力計算,順便提及,外套鋼管防腐也應按 100℃考慮。
實踐證明:蒸汽保溫直埋敷設管道鋼外套管在達到 100℃時無補償是可行的。設計者可以按無
補償理念處理,但對于三通、彎管、變徑、以及補償器外殼、疏水節等管件,在產品設計和熱網設
計中都應嚴格遵照國家現行規范標準進行技術處理,防止在高應力下發生破壞。
(2) 蒸汽直埋保溫管工作管熱補償
用于蒸汽直埋管網上的補償裝置有如下幾種:
1 波紋管補償器:包括橫向拉桿、角向和無推力波紋補償器;
2 套筒補償器:包括注入填料套筒補償器和無推力補償器;
3 彎管補償:包括直角彎管、π型彎管;
4 旋轉套筒補償器;
5 球型補償器;

上述各種裝置各有特點,適合不同場合,下面分別介紹:
(a)軸向波紋補償器:阻力小,無須維護,壽命有限。
適于負荷連續的穩定長距離管線,不適于用戶頻繁開停的支線。
(b)橫向拉桿、角向波紋補償器:無須維護,壽命有限。
適于轉角位置負荷持續穩定管段;不適于頻繁開停支線用戶。
(c)無推力波紋補償器;又稱壓力平衡式波紋補償器。
價格昂貴,壽命有限,阻力大,不耐汽水沖擊。不須維護,無封頭力。
適用于封頭力有特殊限制的場合,不適于長距離干線,飽和蒸汽管網應慎用。
(d)軸向套筒補償器,阻力小,壽命長,可靠,需要維護。
適用于長距離管線、支線、不適于于無法提供維護條件的場合。
(e)無推力套筒補償器,壽命長,可靠,要維護,無封頭力,阻力大,昂貴。
適用于對封頭力有特殊限制的場合;不適用于長距離干線。
(f)彎管補償:壽命長、可靠,補償能力較小。
利用轉彎機會進行熱補償,屬于必選方式,無適用場合。
(g)π型彎管補償,壽命長、可靠、阻力大、占地大。
適用于支線,尤其是近熱源的支線(有足夠的資用壓頭)負荷頻繁波動的食堂、浴室、公建采
暖等用戶宜;不宜在干線上采用,占地有限制時不能采用。
(h)旋轉套筒補償器,可靠、壽命長、補償量大,需要維護,占一定空間。
適用于長距離管線,不適用用于支線。
(i)球型補償器,與旋轉套筒補償器相似。
4. 結論
(1)對于采暖熱水管道,無補償直埋敷設是成熟的技術,但同時考慮到熱網安全性問題且采
用有補償設計時,設計施工難度增加,建設成本增加,熱網安全程度降低,本文建議設置一次性補
償器,讓管道中可能產生的熱應力,有一次釋放機會然后管網轉換成無補償狀態,介質達到溫
度時,管道受壓應力,介質溫度降到時,管道受拉應力,在整個過程中,保證管道不發生屈服,
或者控制在設計的應力限度以下。
(2)對于蒸汽管道,蒸汽保溫直埋敷設管道鋼外套管在達到 100℃時無補償是可行的。設計
者可以按無補償理念處理,但對于三通、彎管、變徑、以及補償器外殼、疏水節等管件,在產品設
計和熱網設計中都應嚴格遵照國家現行規范標準進行技術處理,防止在高應力下發生破壞。
(3)用于蒸汽直埋管網上的補償裝置多種多樣,針對不同的管線,不同的場合,應該采用不
同的補償裝置。

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