淺析鋼套鋼蒸汽保溫管固定節的絕熱

        鋼套鋼保溫鋼管是一種防水、防漏、抗滲、抗壓和全封閉的埋設新技術，是直埋敷設技術在地下水位較高地區使用的一次較大突破。直埋管道的保護管的首要問題是嚴密防水的可靠性，此外要有良好的機械強度，鋼套管由于強度高采用焊接連接，防水的密封性能可靠性十分高，另外，其耐高溫性能也是其它外保護管所不能比擬的。在地下水位高的地區，為保證地下水不影響蒸汽直埋管道的正常運行，外保護層采用堅固、密閉的。安裝技術相對較高。因為建筑結構的繁瑣性，同比而言也增大了暖通工程中管道施工技術的要求，當前暖通工程技術已經越來越難以適應日新月異的現代暖通工程的管道安裝標準，如不宜提高其相應技術手段，勢必加強暖通工程的安全隱患。螺旋鋼管作液體輸送用：給水，排水。作氣體輸送用：煤氣，蒸氣，液化石油氣。作結構用：作打樁管，作橋梁，碼頭，道路，建筑結構用管等。

1   概述

在供熱工程的設計與施工中，經常遇到直埋熱水管道固定節絕熱問題。通常采用非絕熱固定節，具體做法是，固定節與直埋熱水管道焊接在一起，然后澆筑于鋼筋混凝土里而共同組成固定墩。往往固定節不采取絕熱措施而形成熱橋，那么，直埋熱水管道內高溫水（溫度≤130 ℃）的熱量直接傳至固定墩，造成固定墩的混凝土變酥、干裂。在地下水位較高、腐蝕性較強的地區，地下水很容易通過裂縫滲透進固定墩，進而腐蝕固定節處管道的焊縫，造成管道泄漏，影響固定墩及直埋熱水管道的使用壽命，且維護難度較大。

為了保障固定墩安全、穩定、長期運行，避免產生熱橋，近年來，人們以直埋熱水管道的固定墩為研究對象，不斷尋求更加合理的設計、施工方案，以減少直埋熱水管道固定墩的散熱損失［1-3］。本文對直埋熱水管道固定節絕熱問題進行探討，給出一種能夠阻斷熱橋的設計方案。

2   固定節處熱橋產生的原因

2.1  熱橋

熱橋是指建筑外圍護結構中材料組成或形狀與正常部位相比有所不同的部位，例如嵌入墻體的混凝土、柱、墻體和屋面板內的混凝土肋，裝配式建筑中板材接縫以及窗口、墻角、屋頂檐口、墻體勒腳等［4］。這些部位由于傳熱系數比周圍的材料傳熱系數大，在室內外溫差的作用下，形成較大熱流密度的區域，成為傳熱較多的橋梁，故稱為熱橋。由于熱橋存在而產生的各種冷熱不均勻現象，稱為熱橋效應。

2.2  非絕熱固定節結構

直埋熱水管道結構主要由鋼管、保溫層（聚氨酯）、外護管（高密度聚乙烯）組成。非絕熱固定節結構見圖1。

圖1   非絕熱固定節結構

固定節在生產廠家預制而成，長度為2~3 m，主要由保溫管、固定鋼板、加強肋板組成。管道兩端預留一段不做保溫層，通過焊接與直埋熱水管道連接在一起。

2.3  非絕熱固定節熱橋產生的原因

固定鋼板直接焊接到直埋熱水管道的鋼管上，鋼管內是溫度≤130 ℃的熱水，熱水與鋼管、固定鋼板接觸傳熱，其傳熱系數比周圍保溫層（聚氨酯）的傳熱系數大，在直埋熱水管道內熱水與管道外環境（一般按10 ℃考慮）的溫差（約120 ℃）作用下，形成固定鋼板處較大的熱流密度，固定鋼板成為熱橋。由此而形成直埋熱水管道熱量損失較大的關鍵部位，產生固定節熱橋效應，影響固定墩以及直埋熱水管道的長期穩定運行。需要指出的是，加強肋板不是熱橋，因為肋板是埋在保溫層（聚氨酯）內，保溫層阻斷了熱量的傳遞，可以保證加強肋板不形成熱橋。

固定墩由鋼筋混凝土澆筑而成，鋼筋混凝土的熱導率一般為1.28 W/（m·K）；直埋熱水管道所用的保溫層（聚氨酯）的熱導率在0.018~0.024 W/（m·K）范圍；不同鋼材的熱導率在13.7~43.6 W/（m·K）范圍。可見，鋼筋混凝土的熱導率與聚氨酯的熱導率相差兩個數量級，較多的熱量從固定節的固定鋼板處傳至固定墩，增加了直埋熱水管道的散熱損失。

3   阻斷固定節熱橋的基本要求

根據文獻中的混凝土熱導率計算公式［5-6］，采用CFD軟件進行建模并數值求解，得到固定墩及其周圍土壤的溫度場分布情況。結果是：固定墩處的散熱量較大，熱橋效應比較明顯。一個固定墩的散熱量約為13.5 m直埋熱水管道的散熱量［7］。因此，需要進一步研究阻斷熱橋的方法。

為了阻斷熱橋，需要對固定節采取絕熱措施，需要考慮如下問題：

①所選用的方法必須具有良好的絕熱性能，有效地阻斷熱橋。

②固定節整體結構設計應符合直埋熱水管道軸向推力要求，即所選用的絕熱材料的抗壓強度必須滿足固定墩穩定運行的抗壓強度要求。

4   絕熱固定節

4.1  絕熱固定節做法

固定節絕熱的基本方法就是在固定鋼板外加絕熱材料，以阻斷固定鋼板成為熱橋。目前所用的固定節絕熱做法主要由兩部分組成。第一部分：在固定鋼板外加一層10 mm厚的石棉絕熱板，石棉絕熱板要做成和固定鋼板相同的形狀（方形或者圓形），套在固定鋼板上。第二部分：在石棉絕熱板外加緊固層，本文采用鋼制緊固層，鋼制緊固層要緊密排列在石棉絕熱板的四周，根據固定鋼板和石棉絕熱板（方形或者圓形，厚度為30~60 mm）的大小設計鋼制緊固層的大小，使其包圍石棉絕熱板，接縫采用焊接。最后將絕熱固定節澆筑到鋼筋混凝土里，使其成為一個整體（即固定墩）。絕熱固定節結構見圖2。

圖2   絕熱固定節結構

4.2   絕熱固定節特性分析

固定節整體結構設計應符合直埋熱水管道軸向推力的要求。固定墩抗壓強度設計要滿足管道的最大軸向推力的要求。因此，固定節絕熱結構整體的抗壓強度也要滿足固定墩穩定運行抗壓強度的要求。

4.2.1 石棉絕熱板特性

石棉絕熱板是以石棉為主要材料，摻入一定的粘結填充材料而制成的板狀材料，其密度為80~140 kg/m3。

石棉絕熱板具有如下特性：

①低熱導率。使用溫度≤1 000 ℃時，熱導率僅為0.13~0.15 W/（m·K）。

②石棉絕熱板抗壓強度高，并具有良好的韌性。

③優良的抗震性及熱穩定性。

④具有良好的防腐蝕性，且價格低廉［8］。

石棉絕熱板的熱導率低，有效地阻斷了熱橋，能更好地發揮絕熱作用。直埋熱水管道穿越固定節處，固定鋼板對固定墩產生局部壓應力［9］，與固定鋼板緊密接觸的石棉絕熱板及緊固層鋼板也受到局部壓應力。固定墩的抗壓強度設計值由GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》規定為14.3 MPa。工程實踐中，預制絕熱固定節滿足該抗壓強度要求，即能滿足固定墩的抗壓要求。

4.2.2 緊固層材料

固定節絕熱結構的緊固層的作用就是將石棉絕熱板緊緊地固定在固定鋼板上。目前探討的可以作為緊固層的材料有3種。第1種是聚乙烯，將聚乙烯制作成一個同固定鋼板形狀相同的圓形或者方形的緊固套，將其緊緊地套在石棉絕熱板外，然后澆筑到鋼筋混凝土里，使其成為一個整體。但是，聚乙烯的抗壓強度只有4 MPa，將其埋在固定墩里，可能會被壓壞。第2種是聚四氟乙烯，做法同聚乙烯類似。雖然聚四氟乙烯具有良好的抗壓強度（約25 MPa），但是，其價格昂貴。另外，聚四氟乙烯本身就是絕熱材料，如果使用聚四氟乙烯作為絕熱材料，就可以省去石棉絕熱板。第3種就是本文所用的鋼制緊固層，其抗壓強度大，制作簡單，價格也較為合理，已逐步應用于供熱工程實踐。

4.3  絕熱固定節的運行效果

天津塘沽某一級直埋熱水管網改造工程自2010年以來，就不斷用絕熱固定節替代非絕熱固定節，作為固定墩設計的關鍵環節。

由于天津塘沽地區地下水位較高，氯離子含量高，地下水腐蝕性強，以前固定墩損壞嚴重，造成直埋熱水管道泄漏。分析其原因為，直埋熱水管網采用非絕熱固定節，產生了熱橋效應，使固定墩開裂、變酥，地下水腐蝕鋼筋混凝土而造成固定墩失去穩定性，進而產生管道泄漏。設計人員改用絕熱固定節后，根據管網近5年運行情況，沒有再出現固定墩變酥、干裂以致管道泄漏的現象。從管網實際運行的效果看，絕熱固定節能夠提高管網的安全穩定性。

4.4  方案的優點

①從結構力學上看，絕熱固定節能夠滿足固定墩的穩定性要求，且抗壓強度高，絕熱性能好，防腐性能好，韌性良好且價格低廉。

②絕熱固定節能夠有效地阻斷熱橋，既減少了對固定墩的損壞，增加了固定墩的使用壽命，又減少了直埋熱水管道的散熱損失，從而降低了整個直埋熱水管道的輸送能耗，對直埋供熱管道的長期穩定運行起到積極的作用。

5   結論

①本文給出了阻斷固定節處熱橋的一種方法，并分析了該方法阻斷熱橋的機理。

②通過直埋熱水管道運行效果分析，得到該絕熱固定節方案能夠阻斷熱橋，延長固定墩的使用壽命。