摘要：本文通過(guò)對直埋蒸汽管道設計、生產(chǎn)、施工等方面調查、研究，針對幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了分析、探討，供廣大供熱科技人員參考。

　　關(guān)鍵詞：直埋蒸汽管道；保溫結構內固定支架；微量變形；思考；技術(shù)；管道；蒸汽

　　一、直埋蒸汽管道技術(shù)發(fā)展概況

　　目前，我國直埋蒸汽管道市場(chǎng)需求愈來(lái)愈大，而且有迅猛發(fā)展之勢。這種局面的出現，主要由以下原因促成：

　　A、我國推廣“集中供熱”、“熱電聯(lián)產(chǎn)”、“三聯(lián)供”等節能、環(huán)保政策的需要；

　　B、現代文明城鎮建設的加速和對節能、環(huán)保的高要求；

　　C、國家為了提高人民生活質(zhì)量水平，供熱范圍由嚴寒的“三北”地區（即華北、東北、西北）向廣闊的冬寒夏熱的“過(guò)渡地區”擴展的需求。

　　1.1、研究、開(kāi)發(fā)、應用等方面取得了長(cháng)足進(jìn)步

　　為適應直埋蒸汽管道迅速發(fā)展的市場(chǎng)需求，近幾年來(lái)我國廣大科技人員、生產(chǎn)廠(chǎng)家在直埋蒸汽管道技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)、應用等方面，付出了大量心血，取得了長(cháng)足進(jìn)步。保溫結構型式和選用材料之多樣化，工程實(shí)踐規模之大，世界上沒(méi)有一個(gè)國家可以和我們相比。筆者曾多次和德國布魯格、意大利索克薩姆以及美國等多家公司交流，他們一般最大管徑Φ500mm，用量也不大，而目前我國山東濟南、河北石家莊、陜西西安、遼寧大連、河南、江浙等地區所采用的直埋蒸汽管道已超過(guò)Φ500mm，有的已達Φ900mm。保溫結構型式有內滑動(dòng)、外滑動(dòng)，選用的耐高保溫材料有微孔硅酸鈣、玻璃棉管殼、熱壓珍珠巖、硅珠保溫材料、復合硅酸鹽等。保溫結構型式、選用保溫材料種類(lèi)很多。因此在直埋蒸汽管道開(kāi)發(fā)和應用領(lǐng)域，我國并不比發(fā)達國家落后。

　　1.2、采取兩面走方針

　　一方面肯定研究、開(kāi)發(fā)方面的寶貴經(jīng)驗，另一方面也應清醒地認識到目前我國蒸汽管道直埋敷設技術(shù)在研究、設計、生產(chǎn)、材料、檢測等方面，尚存在著(zhù)理論、技術(shù)、管理等方面諸多問(wèn)題，距這項技術(shù)的完善還有很大距離。

　　筆者通過(guò)對南、北方一些工程事故調研發(fā)現，由于基礎理論研究滯后于開(kāi)發(fā)，設計計算不確，產(chǎn)品粗制濫造，施工馬虎從事，運行違規操作等，造成部分蒸汽管道直埋不久便出現“跑、冒、漏、傷”，“帶病運行”問(wèn)題，遺患于后，危及安全生產(chǎn)。在此種情況下，應冷靜、客觀(guān)地對以往的實(shí)踐進(jìn)行實(shí)事求是的科學(xué)分析、研究、總結，繼而加強科研力度，以促進(jìn)蒸汽管道直埋技術(shù)的進(jìn)一步提高和完善。

　　二、對直埋蒸汽管道幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的思考與探討

　　蒸汽管道直埋技術(shù)是一項涉及熱力學(xué)、材料力學(xué)、巖土力學(xué)、流體力學(xué)以及有機材料、無(wú)機材料、防腐、電化學(xué)等多學(xué)科的系統工程，而且投入生產(chǎn)后是動(dòng)態(tài)運行，所以蒸汽管道直埋敷設與熱水管道直埋敷設相比較，技術(shù)復雜的多。據有關(guān)專(zhuān)家總結，直埋蒸汽管道通常有三大系統，十三個(gè)結點(diǎn)處理，每一項處理不當，就會(huì )立即或即將造成工程事故，隱患性很大。篇幅所限，不能展開(kāi)討論，下面僅對幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)提幾點(diǎn)參考意見(jiàn)，以期“拋磚引玉”。

　　2.1、關(guān)于保溫結構計算

　　2.1.1、蒸汽管道直埋敷設與架空、地溝敷設傳熱狀態(tài)不同，架空敷設是向無(wú)限空間傳熱，地溝敷設是熱介質(zhì)通過(guò)保溫材料、流動(dòng)空氣層、溝壁等以不同傳熱狀態(tài)向周?chē)�土壤傳熱，而直埋敷設，簡(jiǎn)化講熱介質(zhì)是向周?chē)�土壤按一維穩態(tài)傳熱，土壤可視為保溫結構一部分。以目前國內常用的內滑動(dòng)式復合結構蒸汽保溫管為例，計算過(guò)程中首先應劃定三個(gè)界面溫度。

　　無(wú)機保溫材料與有機保溫材料接觸處可視為第一界面，外保護層與土壤接觸處視為第二界面，地表與空氣接觸面視為第三界面。計算時(shí)應先控制三個(gè)界面溫度，第一界面溫度控制在有機材料耐溫能力以下；第二界面溫度應控制保護層的防腐、防水及機械性能不遭受大幅度衰減或破壞；第三界面溫度則控制不會(huì )因界面溫度升高而使得管道周?chē)�土壤熱阻值提高，從而造成第一、二界面溫度升高破壞保溫結構。所以在保溫結構計算過(guò)程中，應校核當地極高、極低環(huán)境溫度的影響，必要時(shí)應適當調整保溫結構各層保溫材料的厚度，以確保保溫結構安全。同時(shí)，計算過(guò)程中不能簡(jiǎn)單地按架空管道保溫結構或按中公式進(jìn)行計算，而應結合節能50％，管網(wǎng)輸送效率提高到大于90％的要求。

　　2.1.2、保溫計算中，對土壤、保溫材料的導熱系數選取不能草率，這兩個(gè)系數的選取正確與否，往往影響保溫效果和管道運行安全性。

　　土壤的導熱系數在0.5～2.5w/m.k之間，跨度很大，其大小與土壤種類(lèi)、含水量大小、化學(xué)成分、埋設條件等多種因素有關(guān)。在工程設計時(shí)應堅持實(shí)測當地土壤導熱系數或求助當地地質(zhì)部門(mén)提供資料，認真確定土壤導熱系數值。如果只根據“無(wú)資料可查時(shí)取1.5w/m.k”確定土壤導熱系數不是科學(xué)的，因為不能確切反映管道所處的土壤實(shí)際情況，造成計算結果誤差很大。例如南方高水位地區和西部干燥地區的土壤導熱系數值相差成倍，那么保溫結構計算結果也會(huì )差異很大，如果草率計算，會(huì )造成管道表面溫度過(guò)高或過(guò)低，破壞管道保護層或不經(jīng)濟。所以，應使用當地實(shí)測土壤導熱系數值來(lái)計算。石家莊供熱指揮部等單位堅持實(shí)測導熱系數的做法是科學(xué)態(tài)度。

　　對各種保溫材料的導熱系數，不能簡(jiǎn)單以廠(chǎng)家提供的單體數值為準，而應搞清楚該數值是在何種溫度，何種條件，哪一級檢測部門(mén)測定的，有否導熱系數方程式。然后盡量參照行業(yè)標準確定的導熱方程式來(lái)選取、確定導熱系數。例如微孔硅酸鈣，筆者見(jiàn)過(guò)幾個(gè)廠(chǎng)家標出的導熱系數都不同，這時(shí)應憑據標準GB/T10699－1998〈硅酸鈣絕熱制品〉相關(guān)條文選取，送樣檢測后確定導熱系數。

　　2.2、保溫結構型式選擇應因地制宜

　　由于蒸汽管道介質(zhì)溫度高，保溫結構不可能做成像直埋熱水管道那樣“三位一體”，需要做成“脫開(kāi)式”，即工作鋼管與保溫層或外護層脫開(kāi)。

　　2.2.1、國外基本是采用鋼外護層

　　德國、美國采用外滑動(dòng)式，即綁縛著(zhù)保溫材料的工作鋼管在鋼外護層內滑動(dòng)。只有意大利薩克索姆公司是采用工作鋼管在保溫層內滑動(dòng)，即內滑動(dòng)式（但他們沒(méi)有設內滑動(dòng)層）。實(shí)事求是講，國外對于蒸汽直埋技術(shù)基礎理論研究及實(shí)驗并不深入，只是由于他們國家的經(jīng)濟條件、技術(shù)條件等優(yōu)越，制造工藝精細，外防腐技術(shù)指標高，施工要求嚴格，所以?xún)r(jià)格也很高。

　　2.2.2、我國對于蒸汽管道直埋技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，是摸索前進(jìn)的，在摸索保溫結構型式過(guò)程中，大致分為三個(gè)階段。

　　外護層：

　　第一階段：采用“塑套鋼”，型式，即外護層采用高密度聚乙烯，工程實(shí)踐發(fā)現，聚乙烯耐溫能力太差，當局部熱流外泄，很容易造成外護層蠕變、鼓脹破壞，聚乙烯做外護層不適用于蒸汽管道，目前已成為共識。

　　第二階段：采用玻璃鋼做外護層，而溫能力大大強于聚乙烯，加工工藝由于是采用纏撓式，與采用聚乙烯管做保護層需要穿管比較，可以克服偏心，質(zhì)量有保證。但由于對玻璃鋼制造工藝機理了解不透，采用了簡(jiǎn)陋方式，同時(shí)，玻璃鋼外護層標準當時(shí)還沒(méi)有頒布。制造的玻璃鋼外護層質(zhì)量低下，運輸、安裝過(guò)程中再違規操作，出現局部開(kāi)裂破壞，動(dòng)搖了采用玻璃外護層的信心。

　　第三階段：仿照國外采用鋼外護層，即鋼地溝型式。由于國情所限，完全仿照國外，使用單位經(jīng)濟難以承受，制造企業(yè)只能簡(jiǎn)易從事，但它的“優(yōu)勢”是前二年、三年不易發(fā)現問(wèn)題，于制造商保一個(gè)運行循環(huán)有利，所以近期這種型式較為“走火”。不過(guò)建立開(kāi)發(fā)、使用單位應冷靜考慮遺患未來(lái)問(wèn)題，如防腐、電化學(xué)、檢修等問(wèn)題。關(guān)于此問(wèn)題還要詳細探討。

　　保溫層：

　　第一階段：主要采用巖棉、復合硅酸鹽氈與聚氨酯泡沫復合。工程事故教訓說(shuō)明上述兩種材料存在兩大問(wèn)題，一是遇潮板結變形，二是支撐力不夠，特別較大管徑保溫管，很容易被埋土壓扁破壞，現在已基本不再用。

　　第二階段：采用微孔硅酸鈣瓦與聚氨酯泡沫復合。由于硅酸鈣瓦之間有縫隙，當管道運行后容易裂縫，造成局部熱流外泄，破壞有機保溫層和保護層，雖然采取了一些措施，但仍未能保證熱流不外泄問(wèn)題。

　　第三階段：多極化，“百花爭艷”，硅酸鈣、高密度玻璃棉管殼、硅珠復合材料等，現在正在通過(guò)實(shí)踐檢驗。

　　2.2.3、通過(guò)上面敘述，說(shuō)明蒸汽管道結構型式在摸索過(guò)程中，廣大供熱科技人員和開(kāi)發(fā)商，確實(shí)注入了大量心血，但是，究竟哪一種結構型式為最優(yōu)呢？筆者認為，目前還不是肯定哪一種結構型式為最優(yōu)的時(shí)候。應當根據我國具體國情，繼續深入研究、實(shí)踐、總結�，F在標準所正組織部分科技人員編寫(xiě)。文件中蒸汽管道技術(shù)條件，只提出要求，并沒(méi)有肯定結構型式。這很好，給今后深入研究、開(kāi)發(fā)留有空間，是實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

　　我國地域廣闊，氣候、水文、地質(zhì)條件差異很大，不能簡(jiǎn)單地像國外一些國家采用一種模式。筆者通過(guò)近二年對南方、沿海、西部等地區調研認為，我國發(fā)展蒸汽管道直埋敷設技術(shù)，在考慮我國經(jīng)濟條件情況下，應因地制宜。例如南方主要矛盾是防水問(wèn)題，沿海地區不僅有防水問(wèn)題，更關(guān)鍵是防止氯、硫氧化物腐蝕問(wèn)題，而西部地區突出土壤熱阻問(wèn)題。

　　沿海地區采用鋼套鋼型式，外護層防腐解決困難，而采用按“標準”制造的玻璃鋼外護層既能防水更能防腐，而城市主要街道地區敷設的管道和由電廠(chǎng)通過(guò)野外向城區輸送蒸汽的管道又不宜同等對待。前者要求嚴格些，后者則可簡(jiǎn)易些。西部地區干旱，地下水位低，解決的主要矛盾是土壤熱阻值等問(wèn)題，因此，保溫層采用廉價(jià)的材料，例如硅珠復合材料（硅珠與粉煤灰復合）。而外護層也不一定采用價(jià)高的鋼外護層，所以，不同地區當選用蒸汽保溫結構時(shí)，一定要根據當地的氣候、水文、地質(zhì)、經(jīng)濟以及介質(zhì)溫度高低、管徑大小等，全面、認真地進(jìn)行經(jīng)濟、技術(shù)比較，論證后確定方案，不能盲目草率仿照其它地區。

　　2.3、對“外滑動(dòng)鋼套鋼”結構型式的探討

　　目前，國內采用的“外滑動(dòng)式鋼套鋼”結構型式（鋼地溝）基本上是仿照國外直埋蒸汽管道型式，供熱行業(yè)為了實(shí)現“跨躍式發(fā)展”，需要引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)。但應該認真學(xué)習、吸收、消化后再“為我所用”，而不能簡(jiǎn)單地根據國外產(chǎn)品商業(yè)廣告說(shuō)明書(shū)，“看圖識字”、“照貓畫(huà)虎”。筆者通過(guò)與國外公司交流和國內采用外滑動(dòng)式鋼套鋼直埋蒸汽管道工程調研發(fā)現，下列幾個(gè)問(wèn)題共同探討。

　　2.3.1、外套鋼管的防腐問(wèn)題：國外對外套鋼管防腐極為重視，要求嚴格，他們對鋼套管內外側防腐都有措施。歐洲如德國，鋼套管外側是采用涂刷防腐材料后再纏HDPE，耐電擊穿強度要求達到20000V以上（BULUC公司21000V），內側面則采用抽成真空（設真空泵房保持），衰減腐蝕條件；美國則是在鋼套管外側面噴涂20～30mm厚聚氨脂絕緣層后再?lài)娡?mm左右玻璃纖維樹(shù)脂（玻璃鋼），類(lèi)似我國采用玻璃鋼做外護層的熱水預制保溫管，內側面是采用抽真空或噴涂刷陶瓷防腐材料，外側防腐層耐電擊穿強度也要求達到20000V以上。國內目前鋼套管外側面只采用涂刷富鋅、環(huán)氧煤瀝青防腐涂料，據測試耐電擊穿能力只有5000V左右，鋼套管內側面防腐一般就不考慮了，而鋼套管內側面由于處于高濕熱條件下，又有空氣，會(huì )加速鋼套管內側面的腐蝕速度。國內目前有個(gè)別廠(chǎng)家已經(jīng)注意到上述問(wèn)題。對鋼套管外側面已開(kāi)始采用類(lèi)似美國的方法，但鋼套管內側面尚未加強防腐措施。因此，目前國內對鋼套管的防腐措施，特別是在高水位地區，能否保證鋼套管達到標準界定的蒸汽管道壽命大于20年，尚需我們拿出有利的科學(xué)依據。應提醒：埋入地下的蒸汽管道三年五載不出問(wèn)題，并不等于20年沒(méi)問(wèn)題！因此，建議國內同行應進(jìn)一步加強研究，拿出既適合國情，又保證外套鋼管壽命的科研成果。

　　2.3.2、鋼套管橢圓化變形帶來(lái)的麻煩和解決方法，根據材料力學(xué)理論，常規壁厚的鋼管當直徑超700mm，會(huì )因橢圓效應產(chǎn)生橢圓變形，使得力學(xué)計算復雜化。當介質(zhì)溫度超過(guò)300℃，一般DN>400mm的工作管，鋼套管直徑就有可能超過(guò)700mm，鋼套管橢圓變形就會(huì )產(chǎn)生。埋地鋼套管橢圓化變形主要與兩個(gè)因素有關(guān)：

　　A、鋼套管上面作用的垂直荷載，包括隨埋深增加而加大的土壤荷載和隨埋深增大而減小的車(chē)輛等活荷載；

　　B、鋼管的截面參數，在相同的垂直荷載作用下，鋼管半徑越大，橢圓化變形越大，管壁越厚，橢圓化變形越小。

　　鋼套管橢圓化變形，如超過(guò)一定限值，會(huì )造成局部失穩破壞，即使沒(méi)有達到失穩破壞程度，如果預留縫隙與計算變形不符，滑動(dòng)支架變形、卡腿、斷腿必定會(huì )發(fā)生，造成管道系統破壞。

　　為了控制因橢圓化變形造成管道破壞，在進(jìn)行外滑動(dòng)鋼套結構型式設計、生產(chǎn)時(shí)，應按有關(guān)規范，認真計算，將橢圓化變形率控制在3％以?xún)�，同時(shí)，滑動(dòng)支架與鋼管內壁間隙應與之適應。關(guān)于計算方法及公式，將另文介紹。

　　2.3.3、國外對保溫材料如何長(cháng)期包縛在工作鋼管上，是有著(zhù)嚴格技術(shù)措施的，他們采用特殊的防腐蝕鋼材帶包縛保溫材料，間距也有具體要求。如果簡(jiǎn)單地用細鉛絲或塑料帶包縛保溫材料。在高濕熱條件下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間鉛絲銹斷，塑料帶老化，造成保溫材料脫落，保溫結構破壞。

　　2.3.4、內工作鋼管保溫層外表面與鋼套管內壁的間距尺寸并不隨意，而是將這個(gè)空間作為輻射傳熱的保溫層，空間不能產(chǎn)生流動(dòng)氣流。國外是抽真空達到防止產(chǎn)生氣流，國內由于條件所限，采用抽真空措施，暫時(shí)還難以實(shí)現。但預留的空氣層厚度不能隨意，一般不大于20mm，以防止空氣對流產(chǎn)生，提高隔熱效果。

　　2.3.5、某些節點(diǎn)處理也存在不安全性和檢修難。如將波紋補償器安裝在外鋼套管內，一旦破壞，如何確定位置、如何檢修均尚沒(méi)有明確、成熟的方法，其它像國內固定支架、疏水裝置等同樣存在上述問(wèn)題。

　　還有其它諸多因素不一一列舉。通過(guò)以上幾點(diǎn)只是想說(shuō)明在引進(jìn)國外技術(shù)時(shí)，應該真正“吃透”后，再“為我所用”。同時(shí)，目前對“鋼套鋼”結構型式，尚不應簡(jiǎn)單肯定，需進(jìn)一步深入研究、實(shí)驗，拿出經(jīng)濟、技術(shù)符合我國國情，又不會(huì )造成遺患于后的鋼套鋼結構型式方案。

　　2.4、關(guān)于內固定支架

　　由于蒸汽管道熱伸長(cháng)量大，為了保證管道有效地實(shí)現熱脹冷縮，需要設置固定支架。如果還是按外固定設置方法，由于蒸汽管道溫度高，補償段短，固定墩設置多，尺寸大，這樣一是增大工程量，二是造成施工難度。為解決這項技術(shù)難點(diǎn)，通過(guò)對國內外充分調研、交流，我校于1995年立題研究，題目是：《蒸汽管道內固定支架試驗方法研究》，并上了一名研究生專(zhuān)題研究了三年。在研究過(guò)程中曾得到蔡啟林教授、姚約翰總工、楊明學(xué)研究員等專(zhuān)家熱誠指導，課題完成了，但為什么至今沒(méi)有向社會(huì )發(fā)表，原因是有些問(wèn)題尚需要深入探討，鑒于目前已有單位使用，為了安全，現將兩個(gè)主要技術(shù)問(wèn)題予以簡(jiǎn)要說(shuō)明，供參考。

　　2.4.1、計算理論依據：根據彈性力學(xué)理論，內固定支架是采用薄壁小圓環(huán)理論進(jìn)行計算，這種計算方法的邊界條件要求內外鋼環(huán)必須緊密結合，受力均勻，但施工過(guò)程中很難達到要求，如果采取沿管道周邊分幾片組成不連續圓環(huán)，更不可能達到邊界條件要求。所以需要進(jìn)一步研究、探討可以滿(mǎn)足計算邊界要求的施工技術(shù)措施，否則運行后會(huì )產(chǎn)生不安全因素。

　　2.4.2、為了防止冷橋作用，熱流外泄，內固定支架的內外環(huán)采用石棉橡膠墊隔熱。采用石棉橡膠墊，有兩個(gè)問(wèn)題需要考慮。

　　A、石棉橡膠熱老化問(wèn)題，一般蒸汽管道壽命介定大于20年，石棉橡膠墊肯定達不到（由于橡膠原因），一旦石棉橡膠老化粉化，不僅隔熱目的達不到，而且造成結構破壞，影響管道安全運行。

　　B、根據石棉橡膠墊導熱系數計算，每10mm只能隔熱26℃左右，如果介質(zhì)溫度高，又要控制外套鋼管的表面溫度，則石棉橡膠墊需要很厚，難以實(shí)現。

　　2.5、固定墩微量變形與力衰減

　　即使采用了內固定支架方法，一個(gè)管網(wǎng)總是有的地方還要采用外固定支架，例如拐彎處、出土端等。由于蒸汽管道產(chǎn)生的熱應力高，特別是大管徑管道產(chǎn)生的推力數以百?lài)嵱�，如果按固定墩沒(méi)有微量位移進(jìn)行結構計算。大管徑固定墩的尺寸會(huì )非常大，甚至無(wú)法實(shí)施。土壤不是剛性體，埋在土內的固定墩，在推力作用下，事實(shí)上是會(huì )產(chǎn)生微量變形的，如果主觀(guān)不承認這個(gè)客觀(guān)事實(shí)，不是科學(xué)態(tài)度。建議采用允許固定墩微量位移的方法設計固定墩，以達到推力大幅度衰減目的，這一觀(guān)點(diǎn)已逐步被國內外接受。我校也已經(jīng)對這一課題進(jìn)行了專(zhuān)題研究。通過(guò)理論計算、工程實(shí)踐研究表明：允許固定墩微量位移（一般控制在30mm內），可以將固定墩承受的推力衰減50～70％。我們不僅在實(shí)驗室進(jìn)行了模擬實(shí)驗，而且在內蒙伊敏河煤電集團、河南永城煤電集團等大管徑管道工程進(jìn)行了實(shí)踐，取得了預期成果，前不久某市大管徑管道工程，計算固定墩承受的推力600多噸，按一般結構確定的固定墩尺寸之大，在城市根本無(wú)法實(shí)施，經(jīng)過(guò)建議采用微量位移法，推力衰減到200多噸。