直埋式预制高温保温管道的热补偿和设计

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1、直埋式预制高温保温管道的热补偿和设计1　前言　　直埋式预制保温管道，特别是各式各样的保温结构型式的城镇集中供热或“热、电、冷”三联供的蒸汽管道正在国内外应用，方兴未艾。直埋管道的热补偿是最重要的关键技术之一，由于设计、制作、施工或生产操作上的多种原因，曾发生多起严重事故，造成不应有的人身伤亡和严重经济损失。根据多年研究、工程实践和文献资料，就直埋式预制高温保温管道的热补偿的设计和存在问题，做一专题分析。2　热补偿方式　　在国内外直埋式预制高温保温管道应用中，为克服因温差(使用温度和安装温度之差)造成的热力管道胀缩和位移变化，设计上多采用以下4种方式进行补

2、偿。　　(1)管道（管件）的预热（预拉伸）：国外一些大公司通常在直径小于500mm的管道中采用，但不广泛；　　(2)自然补偿：设计柔性管件如弯头、L型或之型弯管进行热补偿，这是国内外采用较多的方式之一；　　(3)一次性补偿：设一次性补偿器，在安装试运行后，焊死，此法国内外都有采用；　　(4)设补偿器：随介质温度变化，管道胀缩、补偿器对应缩伸、吸收应力和位移进行热补偿。　　补偿器近年发展极快，在直埋式管道中应用也最为广泛，型式有波纹式（内压、外压、单双向、变推力的平衡式、半平衡式及铰链式）、套筒式（加注单封、双密封、弹簧压封及无推力式）以及老式∏型（方型）

3、等。　　由于波纹补偿器设计采用最多，暴露出的问题也较充分，很需要我们研究、认识和改进。　　本文仅就自然补偿和补偿器补偿2种方式进行讨论。3　热伸长量的计算和补偿设计　　为使直埋热力管道在热状态下稳定和安全操作，减小管道热胀冷缩时产生的应力，防止管道超强破坏和位移变化破坏保温结构，增大热损失，必须进行热力管道热伸长量的计算及补偿设计。3.1　热力管道热伸长量的计算△L=α(t1-t2)L式中　△L－管道热伸长量(m)；　　　α－管道在相应温度范围内的线胀系数［m／(m.℃)］；　　　L－计算管道长度(m)；　　　t1－管道安装温度(℃)；　　　t1－管道设

4、计使用（介质）温度（℃）3.2　补偿设计　　(1)管道热应力、强度的设计、计算；　　(2)补偿单元的设计、选择（包括自然补偿件或补偿器）；　　(3)保温结构的综合分析和设计；　　(4)引安全运行寿命，特别是长期震动下的疲劳寿命问题。　　除(1)、(2)外，(3)、(4)2点对高温蒸气预制直埋管道尤为重要，不单要考虑热损失、能耗问题，对于刚性的内外管结构，还要考虑应力和强度的影响。4　自然补偿　　所谓自然补偿，就是管道中发柔性弯曲管段0口弯头，L型、Z型弯管）吸收管道热伸长变形。　　此方式优点：简单、可靠；缺点：产生横向位移，不单是在弯头处，在直线段也发生

5、相应位移，其保温结构应做充分考虑、设计。　　近年来的深入研究表明，直埋管道由于保温结构型不同，已不能完全套用架空或地沟敷设管道自然补偿力算，因实践表明若套用将出现极大的偏差，已造成多处破坏、泄漏事故发生。4.1　设计原则　　(1)转角不小于70°，否则将出现应力急剧上升，易发生问题；　　(2)转角大于150°，不起自然补偿作用；　　(3)L型长臂不宜大于20～25m。　　(4)弯曲许用应力σ(Q235材质)不大于78.5MPa。4.2　弯管长度计算　　(1)L型（见图1a）　　　l＝1.1×（△LD／300）1/2式中　l－弯管长度(m)；　　　△L－长

6、臂L的伸长量(mm)；　　　D－管道外径(mm)。　　(2)Z型（见图1b）　　式中　l－弯管长度(m)；}　　　E－管道材料弹性模量(MPa)；　　　D－管道外径(mm)；　　　〔σbw〕－管道弯曲许用应力(MPa)；　　　k－L1/L2；　　　△t－设计计算的管道介质温度与安装温度差(℃)。图1　L型与Z型弯管示意　　研究表明，90°弯头最大环向应力出现在弯头顶部，最大轴向应力出现在弯头顶部稍靠弯头凸面一侧，与最大环向应力处相差15°～20°。由于弯头处有焊口而综合应力又最大，是L型自然补偿的最薄弱环节、最危险的部位，因此设计时应充分注意这点。采用整

7、管热（冷）煨，减少焊口，并适当增加管壁厚度及应力消除处理，是一条有效途径。　　实验研究表明，随着弯头夹角变化在20°时出现最大应力峰值，随角度增加应力值迅速减小，这也正是设计时尽量避免出现小于70°的夹角弯头所在。　　Z型自然补偿研究表明，直埋时“Z”管段受力与采用地沟敷设时受力差别较大，即管沟、“Z”形管段最危险点在长管L的两头；而直埋管受力最危险点是在管道强度最薄弱部位，即弯头同直管段的两个焊口处（也是侧向位移最大处）。　　对于内滑动保温结构，其保温层对管道的摩擦，不仅与管道的轴向位移有关，还与其内管道的横向位移相关，在弯头的中部存在着最大的弯矩，因

8、此保温结构设计时应充分认识到这点，并做有力的技术处理。某工程实践，弯头同两直管段