蒸汽管道直埋敷设设计的探讨杨平修高远摘要：探讨蒸汽管道直埋敷设和补偿、固定墩设置防滑移及倾覆、系统的排汽和疏水关键词：蒸汽管道直埋敷设固定墩防滑移和倾覆排气和疏水0．引言蒸汽直埋管道敷设已被广泛的应用于城市热力网设计，下面笔者就设计、协助热力公司进行现场热力系统调试中，对蒸汽管道直埋敷设遇到的问题进行探讨。
在蒸汽直埋管道工程设计过程中，应根据热负荷的大小和发展情况，按照蒸汽的压力、温度和地形、土壤结构等因素进行设计计算、选择管材及保温结构，设置补偿器和控制阀门以及排汽阀、疏水阀，布置直埋管道固定支墩。
1．蒸汽管道直埋敷设和补偿（1）蒸汽管道的直埋敷设蒸汽管道直埋敷设主要为城市热力管网的热源管道，目前常用的预制直埋保温管最高运行温度为140℃，蒸汽压力小于0.3MPa。
压力大于0.3MPa的蒸汽直埋保温管道，其保温应根据介质温度采用五层高温复式保温结构形式，由工作钢管向外分为硅酸铝减阻层、硅酸钙瓦高温隔热层、铝箔反射层、聚氨脂保温层及高密度聚乙烯保护层。
其技术指标必须符合《高密度聚乙烯外护管聚氨脂泡沫塑料预制直埋保温管》CJ/T114的要求。
蒸汽管道采用直埋敷设与传统的地沟敷设相比具有占地少、不需砌地沟、不需做防水工程、施工周期短等优点，在保证施工质量的前提下，直埋敷设在地下的蒸汽管道维护工作量小，直埋敷设的蒸汽管道使用寿命可达40～50年，而地沟敷设的蒸汽管道使用寿命仅20年。
由于复合保温埋地蒸汽管各保温材料与管道紧密结合，没有缝隙，保护层也是严密的，加上土壤也起保温作用，减少热损失，节能效果好，很适合城市热力建设的需要。
（2）直埋蒸汽管道的补偿埋地蒸汽管道分有补偿敷设和无补偿敷设两种，无补偿埋地管道适用距离较短，平面、立面管道转角较多，且可通过转角管段达到自然补偿。
有补偿敷设的蒸汽埋地管道常用的补偿器有直埋外压式波纹补偿器和直埋全密封防腐波纹补偿器。
在设计中应注意，在主直干管上宜选择直埋外压式波纹补偿器，应成对布置，且应法兰连接。
选择补偿器补偿能力不应小于过渡段热伸长量或分支三通位移的1.1倍，当过渡段一端为驻点时，应乘以1.2系数，但不应大于按过渡段最大长度计算出的伸长量的1.1倍。
为避免由于供气压力波动频繁，形成补偿器伸缩频繁而引起波纹管疲劳损坏，影响安全供汽，选择补偿器满足管网轴向补偿量X0时，其疲劳损坏次数不得小于1500次。
压力波动不太频繁的支线，伸缩选择满足管网轴向伸长量X0时，其疲劳损坏次数不得小于1000次，补偿器宜选用直埋全密封防腐波纹补偿器，采用管式焊接连接。
2.固定墩设置防滑移及抗倾覆（1）固定墩设置的原则固定墩设置必须满足以下条件：管道在两固定墩间的热伸长值，不得超过两固定墩间补偿器的允许补偿值。
管道的垂直荷重和各向推力和力矩，不得超过固定墩结构强度计算的允许值。
固定墩的设置，应能防止管道产生振动。
直埋敷设管道支墩间距表公称直径（mm）最大允许轴向力（KN）最大间距（m）单位管长摩擦力（KN/m）50 15 35 1.865 15 35 2.180 20 45 2.4100 25 55 3.1125 40 70 3.6150 70 80 4.0200 115 80 5.3250 165 85 7.1300 250 95 8.2400 290 85 10.9500 455 85 12.8600 685 60 15.0 （2）固定墩防滑移及抗倾覆固定墩结构设计应以管道热胀冷缩受约束产生的作用力，内压产生的不平衡力，活动端位移产生的作用力计算管道对固定墩的推力作为固定墩立板设计的主要依据。
固定墩底板设计应以管道对固定墩形成推力后不倾覆、不滑移为原则。
固定墩设置后必须进行抗滑移和抗倾覆的稳定性验算：抗滑移验算 Ks＝(KEp+f1+f2+f3)/(Ea+T) ≥1.3抗倾覆验算 K0v ＝｛KEpX2+(G+G1)d/2｝/｛EaX1+T(H-h2)｝≥1.5σmax≤1.2fE P =1/2ρgbh(h1+H)tg2(45°+φ/2)E P =1/2ρgbh(h1+H)tg2(45°-φ/2)式中 EP—背动土压力（N）；Ea —主动土压力（N），当固定墩前后为粘性土时Ea可略去；f 1、f2、f3—固定墩底面、侧面及顶面与土壤产生的摩擦力（N）；T—供热管道对固定墩作用力（N）；Ks—抗滑移系数；K0v—抗倾覆系数；K—固定墩后背土压力折减系数，取0.4～0.7；f—地基承载力设计值（Pa）；G—固定墩自重（N）；G1—固定墩上部覆土重（N）；σmax—固定墩底面对土壤的最大压应力（P a）；b、d、h—固定墩的几何尺寸（宽、厚、高）（m）；h1、h2、H—固定墩顶面、管孔中心和底面至地面的距离（m）；X1—主动土压力Ea作用点至固定墩底面距离（m）；X2—被动土压力EP作用点至固定墩底面距离（m）；φ—回填土内摩擦角，对砂土取30℃。
为降低工程造价，增加固定墩的稳定性，笔者认为尽可能将固定墩设置于分支管阀门井或补偿器检查井内，以阀门井壁经计算后作为固定墩的立板，或在补偿器井内增设固定墩立板。
在设计过程中，应根据地形地貌、沿途热用户的多少综合考虑，根据实际情况确定具体方案。
3. 直埋蒸汽管道系统的排汽和疏水（1）排汽排气对直埋蒸汽管道系统及下游换热设备安全、稳定、高效运行非常重要。
一般蒸汽系统起动时，系统中总会存在空气。
系统中存在的空气在管道输送蒸汽的过程中被蒸汽（蒸汽为软化水制备）加热会释放出二氧化碳，二氧化碳会随着蒸汽一起进入系统。
这些气体会对系统造成极大的危害，空气中的氧也会加速系统中管道阀门和设备的腐蚀，蒸汽与这些气体混合后会降低温度，在换热器表面形成绝热层，大大降低传热效率。
当不凝气体不断在设备中积聚时，会形成“气阻”，破坏设备正常工作，造成能源的浪费。
（2）疏水疏水是蒸汽系统安全、稳定、高效运行的关键。
如果凝结水不能从蒸汽管线中及时排除，凝结水会随蒸汽一起流动，在阀门、三通、弯头、盲板等任何改变气流方向的管件处，发生水击，产生极大冲击力和噪声，使管件损坏。
如果在换热设备中积存凝结水，当蒸汽与这些低温凝结水接触时，蒸汽迅速凝结，体积突然缩小，产生冲击波，而且还会降低传热效率，影响系统正常运行。
目前较常用的疏水阀有倒置桶型、浮球型、热动力型、热静力型等几种。
从节能环保和实际使用效果角度考虑，应优先选用倒置桶型、浮球型疏水阀,各种疏水阀的特点如下：①热动力型价格较低、结构简单、体积小，但使用寿命短、易漏汽，使用效果不佳，造成能源大量的浪费，并且污染环境。
②热静力型需要凝结水有一定的过冷度，排放凝结水有延迟时间。
③倒置桶型具有耐磨损、耐腐蚀、耐水击、不漏汽、可在背压下工作、可清洗系统、有处理污物的能力、可连续排放空气和二氧化碳、工作可靠等特点，是高效、节能、耐用的疏水阀，宜优先选用。
④浮球型疏水阀具有耐磨损、耐腐蚀、不漏汽、可在背压下工作、对凝结水反应快、可连续排放凝结水、空气和二氧化碳排放能力强、工作可靠、寿命长等特点。
在蒸汽压力波动大、凝结水排量大、高背压的系统中宜优先选用这种疏水阀，如可在汽水换热器凝结水管使用这种疏水阀。
在设计直埋蒸汽管道系统时，应在系统的各低点、主管末端、补偿器或弯头前（见图1、图2）、阀门前等处适当设置疏水装置，及时排除系统中的凝结水，防止水击的发生。
在长距离输送且没有自然排放点的管线上应每隔一定的距离设置一套疏水装置，顺坡每隔400～500m，逆坡每隔200～300m设启动疏水和经常疏水装置。
在系统垂直升高的管段前设启动疏水和经常疏水装置（见图3）。
对于管道垂直升高超过2米或从主管分支接出下翻穿越公路的直埋蒸汽管道，设计要考虑启动疏水装置和经常疏水装置的操作及维修时工作人员的安全。
在协助某热力公司进行热力管网调试时，此处未设支线阀门，且启动疏水装置设于支线竖井底部，疏水排水管亦未接至附近排水设施，给系统调试及运行管理带来了一定的困难，且每天马路两旁竖井汽龙冲天。
笔者认为此处应设分支阀门，且阀门井要与启动疏水竖井（穿越公路两端）分开设置，启动疏水排水应排入附近排水设施，或将启动装置操作井与疏水排水井分开设置，以阻止疏水竖井的蒸汽不进入支线阀门井，疏水装置操作井（顶管穿越马路两端竖井）和过路后升高井也不会出现汽龙冲天现象。
4．关于设计规范的选用城市热力管网一般是以供热介质小于150℃，公称直径小于或等于DN500的钢制内管、保温层、保护外壳结合为一体的预制保温直埋热水管道，其设计依据为《城镇直埋供热管道工程技术规程》CJJ/T81-98。
真正用于指导蒸汽管道直埋敷设工程设计规范国内尚未出版，各个设计院根据《城市热力网设计规范》CJJ/T34-2002和《城镇直埋供热管道工程技术规范》CJJ/T81-98进行蒸汽管道直埋敷设设计是不合理的，且不符合实际的，对于上述规范、规程只能借鉴。
5．结束语本文所探讨的问题是笔者对设计、调试、运行管理实践的总结，也是为进一步规范埋地蒸汽管道设计奠定基础，仅代表笔者个人的观点，是否正确、是否合理，需要设计人员在进行直埋蒸汽管道设计时进行验证，同行业专业人士指正，以便开展进一步探讨。