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舊有熱力管線改造中直埋蒸汽供熱管道技術的應用

放大字體  縮小字體 發布日期:2012-11-14  瀏覽次數:356
核心提示: 本項目為改造工程,位于北京西大望路,管線沿市政道路由北向南敷設,終點位于百子灣南路。蒸汽管道直徑DN500,凝結水管道直徑DN
      本項目為改造工程,位于北京西大望路,管線沿市政道路由北向南敷設,終點位于百子灣南路。蒸汽管道直徑DN500,凝結水管道直徑DN200,管道長度1450米。蒸汽設計參數:溫度300℃,壓力1.4MPa。凝結水管道設計參數:溫度100℃,壓力1.0MPa。原敷設方式為地溝形式。
             
      舊有管溝改造,往往對結構采用翻舊建新的方法。雖然技術方面很成熟,但在日益繁華的市政道路上,這種方式越來越難以實現。本文結合工程實際,詳細闡述了舊有蒸汽管線改造設計方案中,原有管溝的情況,以及架空、地溝、直埋(鋼套鋼)三種敷設方式的比較選擇、平面路由的確定、熱補償的選擇、管線高程等方面的確定。對鋼外護管預制直埋真空保溫管道在組成結構、保溫材料、滑動支架、外套鋼管防腐、內固定支座、真空層設置、穿墻防水等方面的特點一一做了介紹。論述了工作鋼管作為熱補償時,對位移空間及應力的要求,提出了對原有檢查室的解決方法。詳述了鋼質外護管剛度及徑向穩定性的計算、凝結水管道的設計方案。列舉了工程實施后的實測數據,為蒸汽管道設計積累了寶貴的實踐經驗。
      隨著我國城市建設的飛速發展,供熱規模不斷擴大,直埋蒸汽管道技術越來越受到專業技術人員的關注。由于它具有散熱損失小、占地少、運行維護工作量少、安全可靠度高等特點,因此得到了各方的認可。我院受北京熱力集團委托,于2003年承接了“南線熱力外線改造工程”的設計任務。成功地將直埋蒸汽管道技術應用到改造工程中。由于設計合理,管線施工周期短,于當年竣工投入使用,五年來運行一直穩定可靠。該項目是北京熱力集團重點試點項目。該工程的成功,使直埋蒸汽管道技術在北京集中供熱行業得到廣泛推廣。通過本文就“南線熱力外線改造工程”設計中的難點和所采取的技術措施做一總結,供同行參考。
一、南線熱力外線改造工程概況
      1、工程概況
      項目位于北京西大望路大望橋以南,管線由北向南穿越建國路,后沿市政道路向南敷設,終點位于百子灣南路。蒸汽管道直徑DN500,凝結水管道直徑DN200,管道長度1450米。蒸汽設計參數:溫度300℃,壓力1.4MPa。凝結水管道設計參數:溫度100℃,壓力1.0MPa。原敷設方式為明挖地溝形式。截止到改造時,已經運行了將近四十年,管道和設備老舊,存在很多安全隱患,迫切需要翻新改造。
二、方案及難點處理
      (1)敷設方式的確定
      根據當時的技術水平,對于熱介質為高溫蒸汽的熱力管線,常用的敷設方式有:架空敷設和明開地溝敷設兩種方式。蒸汽直埋敷設正處于蓬勃發展階段,并已經在全國范圍內得到較大的推廣應用。
      本工程處在城市的主要市政道路上,架空敷設由于影響市容景觀不宜采用。若采用明開地溝敷設形式,原有地溝及檢查室結構強度及剛度已經不能滿足要求,需要拆除后新建,并且,施工時全線需要破路開槽。該管線地處繁華地帶,車流量很大,必將嚴重影響所在道路的交通,施工很可能只能夜間進行。并且,在新建檢查室時,需要對鄰近的其它市政管線采取必要的保護措施,施工難度大。綜上所述,施工總周期預計需要4~5個月,而熱力管線的翻修建設只能在采暖期以外的時間進行,按照該方案,在當年供熱是不能夠實現的。
      根據對本項目現場的踏勘和管線調查資料,最終,該項目采用預制直埋(鋼套鋼)敷設方式。原有地溝為半通行地溝,尺寸為:寬3000mm×高1250mm。局部過路口為通行地溝,尺寸為:寬3600mm×高1600mm。采用直埋蒸汽管道技術,可保留原溝,取消大部分檢查室。施工時,將原地溝的溝蓋板掀起,溝內填砂,安裝預制蒸汽管道,降低了施工難度,縮短了施工周期,減少了對路面交通的影響。在投資方面,節省了土方量,節約了資金。
      (2)平面路由的確定
      原有地溝為半通行地溝,寬度尺寸為:
      3000mm。尺寸上滿足此次新建管道橫斷面的要求?梢岳迷軠掀矫嫖恢,簡化了審批程序,節省了時間,減少了施工中的一些不確定因素,降低了施工難度。
      (3)熱補償的選擇
      本工程現況管線為避讓高壓線桿,有多處方型補償器,設計時充分利用原路由的拐彎進行自然補償。當自然補償不能滿足要求時,選擇了補償量大的直埋外壓式波紋管補償器,盡量減少補償器和檢查室數量,降低運行檢修量。
      (4)固定支座的選擇
      目前,固定支座在直埋蒸汽管道設計中有兩種做法,一種是外固定型直埋技術,另一種是內固定型直埋技術。
      外固定支座,需要有較大的空間來設置,經過實際測量,該工程管線周圍地下構筑物密集,很難解決。另外,外固定支座要求在施工現場進行澆注安裝,延長了施工周期,這在搶修翻建工程中是不容易實現的。
      內固定支座,蒸汽管道的固定支座上受的力直接作用在鋼外護管上,鋼外護管具有很高的強度,安全可靠。并且,可以提前在工廠預制,施工周期短,占地小、節約投資,具有很大的優勢。因此,該項目采用內固定型支座。
      (5)管線高程的確定
      由于現況管線地處繁華路段,市政交叉管線復雜。原有地溝高度為1250mm,大于鋼外護管預制直埋真空保溫管道要求的尺寸,新建管道可以利用原有高程,只需略微調整。并且,采用原高程能夠避讓現況其它管線。另外,原有管溝坡度小,管道上下翻彎少,采用原管溝高程,需要安裝疏水器的節點少,有利于管線安全運行。因此,該工程采用了原管道高程,由于道路歷經了40年的變化,管線所處的地面高程也發生了變化,設計時應該復測地面實際高程,并按照覆土深度核算鋼質外護管的剛度和穩定性。
 
三、蒸汽直埋管道設計要點
      1、鋼外護管預制直埋真空保溫管道的確定
      國內直埋蒸汽管道中存在的主要問題是滑動支架的隔熱解決不好,而且防腐的質量達不到要求,影響了管道的正常運行和使用。
      根據調研,該項目決定采用北京豪特耐集中供熱設備有限公司的蒸汽預制直埋真空保溫管。豪特耐公司在2001年引進了在德國有幾十年成功應用經驗的真空"鋼套鋼"外滑動直埋蒸汽管道系統的全套技術,并已經有成功應用于實際工程中的經驗。
      鋼外護管預制直埋真空保溫管道的結構由內向外依次為:工作鋼管、保溫層、真空層、外護層鋼管、防腐層。“鋼套鋼”直埋管道強度高,穩定性好,因此,可靠性強,使用壽命在30年以上。它具有以下特點:
      (1)保溫材料
      選用耐高溫玻璃棉管殼作為保溫材料,它導熱系數小,便于加工,能夠保證玻璃棉均勻地包敷在工作鋼管的表面。兩層保溫時,保溫層間橫縫和縱縫錯縫搭接,保溫層外包敷一層反射鋁箔,有效地降低了管道的熱損失。
      (2)滑動支架
      根據熱水直埋管道在地溝中應用積累的經驗,為減少傳熱,本工程對滑動支架的處理進行了改革創新,采用了管箍形式。即在工作鋼管的保溫隔熱環外設置管箍層,并用螺栓鎖緊。將滑板焊在管箍上,當管道受熱伸長時,管箍隨之伸長,與外護鋼管預埋支架發生滑動,確保工作鋼管的正常運行。并且,本工程工作鋼管的保溫隔熱環選擇了進口耐高溫材料,有效的解決了"鋼套鋼"直埋管道的冷橋問題,能夠將滑動支架處的外保護鋼管的表面溫度控制在60℃以內,避免了對外護層鋼管的腐蝕破壞。
      (3)外套鋼管防腐
      采用了防腐效果較好的三層PE作為外保護層鋼管的防腐層,這種防腐采用機械加工,具有很好的整體性和連續性,能夠與鋼管緊密的粘結在一起,防水性能好,比較其它防腐形式耐溫高,有效地防止了鋼管的腐蝕,保證了管道30年的使用壽命。
      (4)內固定支座
      由于當時國內的固定支架環板間所采用的材料為圓形隔熱環,這種圓環使管道受熱膨脹時所產生的力通過固定支架圓盤的邊緣傳遞,容易造成圓盤變形,影響力的傳遞。為了解決這個問題,通過大量的調研,最終設計采用了德國耐高溫高強度隔熱材料作為內固定型支座環板間的隔熱材料。這種隔熱材料可以均勻地分布在支架環板周圍,更有利于力的傳遞并降低了冷橋的影響。
      (5)真空層的設置
      將傳統“鋼套鋼”直埋蒸汽管道中的空氣層抽成真空層,排除了空氣層中的潮氣及保溫層中吸收的水分,有效地防止了內、外鋼管的腐蝕。根據資料顯示,“鋼套鋼”直埋蒸汽管道,采用真空系統后,將管道中的空氣抽走,減少了對流換熱,比非真空系統可降低散熱損失約40%,管道表面溫度可降低約11℃。大大降低了管道的熱損失和表面溫度,延長了管道的使用壽命。
      (6)穿墻防水
      在管道穿過檢查室側墻處,將一組波紋管與直埋蒸汽管道的鋼外護管焊接,另一端焊接在墻體預埋的套管上,解決了鋼外護管的受熱伸長問題,使聯接處安全穩定,從而達到很好的防水效果,降低了對工作鋼管的腐蝕破壞。
      2、工作管彎頭的相關計算
      利用原路由的拐彎進行自然補償,工作管彎頭作為熱補償時,應使其應力變化范圍在允許應力范圍之內,本項目的工作鋼管計算模型符合地溝管道形式,應用美國引進的CAESARⅡ計算軟件進行應力分析,使它完全滿足應力要求。并且,還應計算彎頭處的熱位移量,驗算工作管與外護管之間是否留出足夠的位移空間,確保彎頭能達到真正的補償作用。
      例如:本工程采用¢920×10的外護鋼管,內徑d1=900mm,工作鋼管外徑D2=529mm,保溫厚度δ=100mm。管道的熱伸長量
         △L=a×L×(t2-t1)×1000(3-1)
      式中:△L—兩個固定支架之間管道熱伸長量,mm;
      a—管道的線膨脹系數m/m·℃;
      L—兩個固定支架之間管道長度,m;
      t2—管道介質最高溫度,℃;
      t1—管道最低溫度,℃;
      該處管道的熱伸長量應△L≤(d1-D2-δ)/2,帶入數值△L≤135.5mm。根據管道的熱伸長量公式,推算出固定支座至彎頭之間的長度應≤33.8m,該數據對整個設計方案的確定是很重要的。若固定支墩與彎頭之間的尺寸根據設計方案要大于上述方法計算的數值時,應相應加大鋼外護管的尺寸,變形段采用軟質保溫材料。彎頭的補償空間及工作應力應同時滿足要求。
      3、原有檢查室的解決方案
      管線在1974年設計,當時該地區是工業區,工廠很多,分支也很多。受到當時技術水平的限制,補償器的補償量較小,原有管線沿途檢查室較多,共有16座。運行、檢修的工作量非常繁重,占用了很多運行管理人員。
      隨著城市建設的發展,工廠已逐步搬出市區,管線分支減少了,經過走訪用戶,分支減為6支,供4處。其中有兩處是南北對開的分支,另外兩處是單向分支。
      設計時,選擇了補償量大的直埋波紋管補償器,無須設置檢查室,只保留4座分支小室,其它原有檢查室安裝管道后全部填埋,大大提高了安全性并減少了檢修量。
      4、真空系統的安裝
      真空系統由管道中的真空層、真空泵、真空閥、壓力表組成。其中真空泵、真空閥、壓力表均需要安裝在固定場所,便于巡視及操作。本工程有四處分支,由于需要安裝閥門、泄水等設備,因此保留了這四處分支檢查室并進行了翻建。這些分支檢查室正好做為真空泵的工作室,因此,管線具備抽真空的施工和運行檢修條件。管線按照四段分別抽真空,真空度要求在20mbar以下,當管道中的真空度不滿足要求時,可用移動式真空泵隨時抽真空,以達到要求。
      5、鋼質外護管最小壁厚的確定
      鋼質外護管是直埋蒸汽管道的重要組成部分。它應該具有很好的剛度,保證在運行期間工作管正常移動和支座正常工作。壓力管道的壁厚是根據其所需要的承壓能力計算確定的。而對于直埋蒸汽管道的外護管,主要承受的是運輸、施工運行過程中的外部荷載,為避免發生過大變形,有必要按照規定計算外護管的最小壁厚,使其具有一定的剛度。
      (1)對鋼質外護管剛度要求
      根據《城鎮供熱直埋蒸汽技術規程》不帶空氣層的保溫結構,鋼質外護管的外直徑與壁厚的比值應不大于140;對帶空氣層的保溫結構,鋼質外護管的外直徑與壁厚的比值應不大于100。
      (2)對鋼質外護管徑向穩定性的要求
      在蒸汽直埋管道埋設較深或地面荷載較大的地段,外護管會發生橢圓化變形,變形量的大小與外部荷載和外護管管徑大小及管壁厚度有關。要求外護管的橢圓化變形不能造成其內部保溫結構的破壞,也不得阻礙工作管的軸向移動。同時對最終變形量加以限制,以免外護管會喪失承受外部荷載的能力。其直徑的變形量不得大于管徑的3%。
      鋼管徑向變形的計算:
      鋼管在外荷載作用下的徑向變形,可按照《城鎮供熱直埋蒸汽技術規程》公式計算:
      △x=ZKWDm3/(8EI+0.061EsDm3)(3-2)
          W=W1+W2(3-3)
          I=δ3/12(3-4)
      式中△x—鋼管水平方向最大變形量(m);
      Dm—鋼管的平均直徑(m);
      W—作用在單位管長上的垂直荷載(N/m);
      W1—單位管長上的垂直土荷載(N/m);
      W2—地面汽車或其他重物傳遞到管上的垂直土荷載(N/m);
      Z—鋼管變形滯后系數,宜取1.5;
      K—基座系數,應按照相關表格確定;
      E—鋼材彈性模量(N/m2);
      I—單位管長截面慣性矩(m4/m);
      δ—鋼管公稱壁厚(m);
      Es—土的變形模量(N/m2),應按照相關表格確定;
      作用在鋼管上的土的垂直壓力可按照下式計算:
          W1=γhD(3-5)
      式中W1—單位管長上的垂直土荷載(N/m);
      γ—回填土的重力密度(N/m3);
      h—外護管覆土厚度(m);
      D—外護管外直徑(m);
      地面汽車等傳遞的垂直壓力可按照下式計算:
         W2=0.4775jcGvD/h2(3-6)
      式中W2—汽車傳遞的垂直荷載(N/m);
      Gv—汽車的單輪輪壓(N),按照道路或橋梁設計所規定的車輛載重等級取值;
      jc—外沖擊系數,應按照相關表格確定;
      D—外護管外直徑(m);
      下面列舉出DN900及DN1000不同壁厚的外護鋼管的計算結果:
      本工程外護管平均覆土厚度1.6m,在綜合考慮了設計、生產、施工等方面后,采用了¢920mm,壁厚10mm的外護鋼管,滿足鋼質外護管剛度和徑向穩定性要求。
 
四、凝結水管道的設計方案
      凝結水管道設計參數:溫度100℃,壓力1.0MPa。原凝結水管道敷設方式為地溝形式,與蒸汽管道同溝。在方案選擇上,若采用原有地溝形式,溝內不能填砂,與蒸汽管道的敷設形式不能協調一致。若也采用鋼套鋼形式,由于凝結水管道管徑小、溫度和壓力較低,勢必造成投資浪費。凝結水管道設計方案最終選用熱水直埋敷設的形式,管材選用聚氨酯泡沫預制直埋保溫管。它的結構由內向外依次是:鋼管、報警銅線、聚氨酯泡沫保溫層、高密度聚乙烯外殼。施工時,在原溝內先進行填砂,填砂厚度為不小于200mm,然后分別安裝鋼外護預制蒸汽管道和凝結水預制直埋保溫管。兩管中心距850mm。然后再進行填砂,填滿后進行夯實。管線橫斷面如圖1所示。
      在熱補償方面,經過直埋管道應力計算,利用平面拐彎進行自然補償,完全滿足鋼管應力要求,不需要另外增加補償器。
      選擇凝結水管道直埋敷設,巧妙地與蒸汽管道結合在同一溝槽內,技術上安全可行,得到了建設方、施工方的一直認可。
 
五、工程實施后的實際效果
      本工程當年設計,當年施工并投入運行。施工總周期僅60天。
      在工程運行后,我們對管道進行了實際測試。前期準備時,已經將所有傳感器在施工過程中預先埋設,將補償導線引出地面到測試樁,待工程完工并回填后恢復路面,正式投入運行一段時間以后進行現場測試。測試結果顯示,工作鋼管的平均表面溫度為305℃,直埋蒸汽(鋼套鋼)管道平均熱損失為63W/m2,遠遠低于《工業設備及管道絕熱工程設計規范》附錄B中規定的:“對應工作鋼管外表面溫度為300℃,常年運行工況的最大允許熱損失量186W/m2。實際測試外套鋼管的表面平均溫度為40.5℃,也低于《城市熱力網設計規范》規定的60℃。根據以上數據可以看出,使用“鋼套鋼”直埋蒸汽管道,正確處理保溫結構、滑動支架及真空系統等技術后,能夠大大降低管道的熱損失和表面溫度,延長管道的使用壽命。
結論
      直埋蒸汽管道技術在廣大工程技術人員的實踐和總結下,已經得到了飛速的發展。“鋼套鋼“直埋管道有較好的安全性,熱損失小,使用壽命長。舊有管線改造,利用直埋蒸汽管道技術的優勢,并根據現場條件制定可行的方案,降低了施工難度,縮短了施工周期,減少了運行檢修量,大大提高了安全性和可靠性。本工程是一個成功的例子。以上是本人關于直埋蒸汽管道技術應用在改造項目中的幾點體會,希望直埋蒸汽管道技術在城市集中供熱事業中得到大力發展和應用。若有不妥之處,敬請指正。--北京市熱力工程設計公司 胡勁秀
參考文獻:
      [1]《全國直埋蒸汽管道技術研討會論文集》
      [2]《城鎮供熱直埋蒸汽管道技術規程》
      [3]《城市熱力網設計規范》
      [4]《工業設備及管道絕熱工程設計規范》
 
 
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