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旋轉補償器直埋鋼套鋼蒸汽管道中的應用

一、概述
1、蒸汽管道直埋技術
蒸汽管道主要用于輸送工業蒸汽和滿足部分采暖需求。近年來，隨著集中供熱事業的蓬勃發展和城市現代化建設要求的逐步提升，原有架空形式雖有諸多優勢，但其在城市內實施存在著較大的局限性，因而，蒸汽管道直埋技術得以迅速發展和完善。
在此期間，科技人員、生產廠家在直埋蒸汽管道技術的研究、開發、應用等方面，付出了大量心血，選用了幾乎所有適用的材料，也取得了長足進步，出現了大量的管道設計理念和結構形式，較好地解決了力系分解與固定形式、合理的補償方式、保溫結構與熱橋處理、施工工藝及運行工藝等。
目前，得到業內人士較為認可和推廣率較多的直埋蒸汽管道形式為：鋼套鋼直埋。其固定方式一般選用鋼套鋼內固定支架，補償器常規選用無約束軸向型直埋補償器，保溫選用內滑動（或滾動），好一點的對補償和固定等節點處防熱橋處理。這種結構形式，我們半島供熱公司應用了近10年，但實踐過程中發現存在較多問題，主要有：
①軸向型波紋補償器因其結構特性不耐水擊，帶來管道安全性較差。長年穩定負荷運行管道略好，負荷變動大經常啟停管道尤其嚴重，出現問題較多。
②軸向型波紋補償器補償量相對較小，補償管段短，同一管系補償器數量應用多，并很難做到與管道同壽命，因其質量問題和實際使用工況條件變化，達到15年以上的很少，部分不足10年已先后出現問題，因而管系二次建設更換費用較高。
③工作溫度變化對補償量、剛度和工作壓力均需要修正，因而其實際工況運行中出現問題幾率較大。、管系設置及工藝 1、設計原則及注意事項：
①著重于管系合理分解，優選穩定組合形式。補償裝置設置點優選地上設置，確實無法地上時，應詳盡考慮設施的防水性能和管系的疏水設置。
②長直敷設宜設置成半地上“Ω組合”形式；有Z型折向管段可采用半地上的“∏型組合”，也可采用全地下的倒“∏型組合”；L拐點管段宜設置成單側“∏型組合”。
③采用“△”型內滾動支架，主要起平衡同心支撐作用，但同時也起到導向做用，限定了其工作管的側向位移，應用“∏型組合”時，關鍵點是需著力規避離心擺動值Y的影響。
④補償管段長度建議略小于常規架空管長。選取一合適結合點，既實現長距離補償，又保證安全運行。
旋轉補償器直埋鋼套鋼蒸汽管道中的應用

2、管系形式及各自控制點。 （1）“Ω組合”形式：
①鑒于地埋鋼套鋼管外套與支架限制工作管側向位移的局限性，建議直埋優選此種形式，因其不存在徑向位移，且補償管段長度基本不受影響。
②布置方式：補償器組合兩側鋼套鋼支架內滾動支架盡可能距旋轉臂近一些，蒸汽流向的前端設置疏水器，該側支架距外套管端長度L＞單側伸縮長度△+800mm，另一側支架距外套管端長度L＞單側伸縮長度△+300mm。既起到支撐作用，同時又做為導向支架，增加自由管系運動時的穩定性。兩支架間不設支柱，但選用熱壓彎頭，并加高一級壓力等級。
③使用該組合進行直埋管設計時，建議采用半地上形式，如采用全地下方式，由于旋轉臂向下，一方面，相當于管系中的沉淀池，易沉積吹掃不凈雜物、停運腐蝕物和凝水，對補償器正常運轉造成如文登鋪頭熱電廠至西區φ377主管道原設計280℃，施工后運行參數調整為320℃，此時如選擇軸向型補償器，肯定無法運行（溫度提升后，相應剛度減小、補償量增大、當量工作壓力增大）。

④施工同心度要求嚴格，在同一補償管段內如超出偏差量，則易發生波紋損壞而致泄漏。 ⑤保溫結構的不完善，特別是外防腐層出現泄漏（地下腐蝕嚴重）等問題帶來的管系失穩。 基于此，我們針對實際情況，做了大量實踐研究，力求尋找更加合理的補償裝置進行替代舊有模式。
2、旋轉補償器的應用
旋轉補償器是近年發展起來的一種新型的管道補償器，并在具體的制造和實踐過程中逐漸成熟。其工作原理簡言之，就是利用空間杠桿轉動原理進行旋轉補償的機理吸收管道熱位移。因其具有補償量大（常規200——500m）、無內壓推力（固定支架小）、安全性好（不受管網壓力和溫度變化而導致的補償極限破壞）、設計簡單補償設置靈活多樣、密封性能好（無類似波紋等薄弱部件）、與管道同壽命、綜合投資少等優點，而逐步得到業內人士的認可和應用，發展較快。
我公司在良好了解旋轉補償器性能的基礎上，結合原有直埋工藝，對將旋轉補償器應用于蒸汽直埋方面進行了系統研究和實踐，并對相關作法小有歸納，現總結部分粗淺認識，以供參考。

二、管系設置及工藝 1、設計原則及注意事項：
①著重于管系合理分解，優選穩定組合形式。補償裝置設置點優選地上設置，確實無法地上時，應詳盡考慮設施的防水性能和管系的疏水設置。
②長直敷設宜設置成半地上“Ω組合”形式；有Z型折向管段可采用半地上的“∏型組合”，也可采用全地下的倒“∏型組合”；L拐點管段宜設置成單側“∏型組合”。
③采用“△”型內滾動支架，主要起平衡同心支撐作用，但同時也起到導向做用，限定了其工作管的側向位移，應用“∏型組合”時，關鍵點是需著力規避離心擺動值Y的影響。
④補償管段長度建議略小于常規架空管長。選取一合適結合點，既實現長距離補償，又保證安全運行。
2、管系形式及各自控制點。 （1）“Ω組合”形式：
①鑒于地埋鋼套鋼管外套與支架限制工作管側向位移的局限性，建議直埋優選此種形式，因其不存在徑向位移，且補償管段長度基本不受影響。
②布置方式：補償器組合兩側鋼套鋼支架內滾動支架盡可能距旋轉臂近一些，蒸汽流向的前端設置疏水器，該側支架距外套管端長度L＞單側伸縮長度△+800mm，另一側支架距外套管端長度L＞單側伸縮長度△+300mm。既起到支撐作用，同時又做為導向支架，增加自由管系運動時的穩定性。兩支架間不設支柱，但選用熱壓彎頭，并加高一級壓力等級。
③使用該組合進行直埋管設計時，建議采用半地上形式，如采用全地下方式，由于旋轉臂向下，一方面，相當于管系中的沉淀池，易沉積吹掃不凈雜物、停運腐蝕物和凝水，對補償器正常運轉造成
④補償裝置設置及與鋼套鋼外套管銜接。補償裝置因外形較大，并考慮與外套管連接防水問題，一般我們采用半地下鋼水箱形式，以焊接方式連接，地上采用類似于小型變電箱變的封閉形式。水箱外側采用玻璃鋼防腐。安裝時采用井點低位排水、整體預制（地下、地上兩件套）下裝模式，安裝后與外套連接并局部防腐。
（2）“∏型組合”：管系布置：加長中間旋轉臂L長度（一般要求L＞2.5Lmin，Lmin為架空許用小長度），小口徑管道在旋轉中軸設置支架，并將兩側鋼套鋼內滾動支架盡量向外移位，兩支架單側展開長度為0.7倍的管道水平布置跨距；大口徑管道或L超過4米的旋轉臂在兩立臂旋轉軸分別設置兩處支架，支架至兩側滾動支架的間距以管線展開長度0.7倍的管道水平布置跨距為宜。
目的盡可能減少旋轉角θ，限制Y值過大，減少支架對鋼外套產生的附加扭矩。見圖一。
綜合考慮地質可能局部沉降、管道內滾動卡澀、旋轉角θ過大造成離心擺值過大產生較大扭矩、內部位移量過大對保溫的破損影響等，尤其是針對該種形式地埋，其大跨距宜不超過架空固定間距的70——80%。推薦直埋固定支柱間大跨距

③采用該組合進行直埋管設計時，可根據需要采用半地上或地下模式，因地下形式，其轉動軸并沒有轉動部件，因而只需在低位合理設置疏水裝置即可，該疏水裝置建議采用啟動疏水和經常疏水并聯形式設置，并合理設置沉淀池和引出疏水管。

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影響；另一方面，埋深增加太大，維修及防水難于處理。
④補償裝置設置及與鋼套鋼外套管銜接。補償裝置因外形較大，并考慮與外套管連接防水問題，一般我們采用半地下鋼水箱形式，以焊接方式連接，地上采用類似于小型變電箱變的封閉形式。水箱外側采用玻璃鋼防腐。安裝時采用井點低位排水、整體預制（地下、地上兩件套）下裝模式，安裝后與外套連接并局部防腐。
（2）“∏型組合”：
①管系布置：加長中間旋轉臂L長度（一般要求L＞2.5Lmin，Lmin為架空許用小長度），小口徑管道在旋轉中軸設置支架，并將兩側鋼套鋼內滾動支架盡量向外移位，兩支架單側展開長度為0.7倍的管道水平布置跨距；大口徑管道或L超過4米的旋轉臂在兩立臂旋轉軸分別設置兩處支架，支架至兩側滾動支架的間距以管線展開長度0.7倍的管道水平布置跨距為宜。
目的盡可能減少旋轉角θ，限制Y值過大，減少支架對鋼外套產生的附加扭矩。見圖一。
②綜合考慮地質可能局部沉降、管道內滾動卡澀、旋轉角θ過大造成離心擺值過大產生較大扭矩、內部位移量過大對保溫的破損影響等，尤其是針對該種形式地埋，其大跨距宜不超過架空固定間距的70——80%。推薦直埋固定支柱間大跨距：
管道公稱直徑 ≤200 250、300、350 400、450、500、600 ≥700 直埋鋼套鋼（m）≤
200
240
280
320
③采用該組合進行直埋管設計時，可根據需要采用半地上或地下模式，因地下形式，其轉動軸并沒有轉動部件，因而只需在低位合理設置疏水裝置即可，該疏水裝置建議采用啟動疏水和經常疏水并聯形式設置，并合理設置沉淀池和引出疏水管。
④補償裝置設置及與鋼套鋼外套管銜接。

（3）固定支架及滾動結構

①固定支架采用：采用防熱橋內固定支架詳見圖二。

套管常規定尺12米，每根設置兩個支架，其距旋轉臂的個滾動支架的長度一般為3m，接近補償裝置的鋼管按設計要求預制，考慮管系穩定性和施工穿管方便，一般要求滾輪與外套管之間每側留有4——6mm間隙。
（4）保溫結構：
管道保溫結構需具備如下性能：①因補償管段長、補償量較大，需要確保外套管內腔保溫良好運動。②從節約角度不能使外套管過大。③保溫結構完整，能切實起到保溫作用。④為確保管系運行良好，不能發生泄漏，外防腐需完整無損。
基于上述原則，通過多種材料的綜合研究，我們選定做法如下：

②外防腐部分：前述保溫結構因需留有間隙而常規減小了保溫結構層，因而外套管除銹后在外部采用聚氨酯噴涂工藝進行增強保溫層10——20mm，再用玻璃鋼纏繞方式制作外防腐層。該工藝中聚氨酯噴涂層同時起到與外套管緊密結合作用。
（5）主要特點：
①管道補償管段長，地下易損件少，安全性好，補償裝置維修保養方便，另外，通過加強管道焊接工藝，幾乎做到運行零隱患。
②保溫結構完整，不但保溫效果可以得到保障，而且管道因防腐結構處理較好，發生進水造成管道運行失穩的情況也得到有效控制。
③因旋轉補償器的特性，管系對于溫度、壓力變化的適應性較好，管道更加安全可靠。 三、結論和擬進一步研究的問題
通過上述管道與保溫工藝的互相銜接，較有效地使旋轉補償器良好應用于直埋蒸汽管道。從07年、08年陸續施工的主蒸汽管道運行情況看，我們選擇的結構還是很合理的。