一种新型无热桥直埋蒸汽管道固定支架
耿涛
近几年，随着我国各项事业的飞速发展，城镇居民对生活品质舒适性的要求和城镇建设环保节能要求的不断提高，“热电联产”事业得到了前所未有的发展。而与热电联产事业密切相关的蒸汽管道直埋技术因其特殊性和重要性逐渐成为国内供热行业攻关重点。近年来通过广大技术人员长期不懈的努力，在蒸汽管道直埋技术的研究、相关产品开发和管理方面都取得了长足进步，并大量应用于工程实践。本文将对直埋蒸汽管道固定支架的型式及外套钢管是否进行补偿进行探讨并着重推介一种可实现无热桥的直埋蒸汽管道固定支架。
一、直埋蒸汽管道保温结构简介
(一) 钢套钢内滑动结构：
内滑动结构有些资料也称其为无空气层复合保温结构，其结构由内向外分别为工作管、耐磨减阻层、耐高温无机隔热层、铝箔反射层、有机保温层、钢套管、防腐层。
此种结构在工作时，工作管在无机隔热层内表面发生滑动，由于隔热层一般采用微孔硅酸钙，其抗压、耐磨性能良好，而且在实际管道运行过程中，工作管的伸长值有限。同时耐磨减阻层的存在，工作管的滑动对无机保温层有一定的磨损作用，但影响不大。
(二) 钢套管外滑动结构：
外滑动结构有些资料称其为有空气层复合保温结构，分为抽真空式和不抽真空式。其结构由内向外分别为工作管、保温层、空气层、钢套管、防腐层。
这种结构在工作时，工作管与保温层一起伸长变形，能够很好的保护保温层，这种型式的结构使用保温材料的选择面较宽，不必全面考虑保温材料的抗压性能指标。抽真空结构在工作过程中定期用真空泵将空隙中的空气抽出，以增强保温性能和减轻钢套管的内腐蚀。
(三) 塑套钢的保温结构：
塑套钢的保温结构与钢套钢的内滑动保温结构基本相同，只不过将外套管由钢管换成了塑料管，塑料管的材料一般多采用高密度聚乙烯。塑料管的特点是抗腐蚀性能好，但也有一定的缺点，补口处容易漏水，甚至引起套管“放炮”。而且一旦发生，往往是大面积的破坏，修复非常困难。
二、可消除热桥的直埋蒸汽管道新型固定支架
(一) 固定支架简介
以上简单介绍了直埋蒸汽保温管道的保温结构。无论采用哪种结构型式都少不了固定支架。固定支架因其承力结构不同，分为内固定支架和外固定支架。
内固定支架只能在钢套钢直埋蒸汽管道中使用，承力结构是外套钢管。外固定支架的承力结构是混凝土支架，外固定支架可用于钢套钢和塑套钢的直埋蒸汽管道。
以往塑套钢的外固定支架的构造是在固定支架部分采用一段与
塑套管管径接近的一段钢套管做成固定支架，施工过程中存在两个钢塑接口。这两个接口通常采用热收缩带现场补口，由于热桥的存在这两个口非常容易出问题；而且其固定支架型式、材料复杂、工作不可靠、热桥严重而直接影响钢套管的防腐和混凝土的强度。
(二) 新型固定支架的工作原理
这种新型固定支架由于采用了“截、衰、阻”的原理，而非常有效的解决了热桥问题，同时该固定支架工作可靠，加工制作方便，成本增加也不多。
1.“截”就是在一个适当的位置将套管截断，从而截断了热桥，热量无法传递。
2.“衰”就是利用温度衰减原理，延长挡板、肋板与套管连接处到套管与附加套管连接处的距离，使套管与附加套管连接处的温度大大降低，进而消除了温度对防腐层和钢塑接口的影响，使防腐层能够可靠的工作、使热收缩带不发生因受热造成的脱落。
3.“阻”就是利用保温材料的保温性能将保温材料包裹在工作管、补偿器的外套管、钢套管的表面，阻断热量的辐射和对流传递的途径，以减少高温面对低温面的影响。
通过以上处理，解决了传统固定支架的热桥问题。
三、固定支架的验算及各部分的作用
(一) 内固定支架的钢套管强度验算：
按最不利条件进行验算：选择工作管外径D1=426mm、壁厚δ1=7mm为例进行验算，套管钢套管外径D2=762mm、为壁厚δ2=7mm，
补偿器的有效面积A0=1611cm2；附加钢套管外径D3=920mm、壁厚δ3=8mm。
假设介质温度t=280℃、压力P=0.98 MPa，工作管与保温材料之间的摩擦系数μ=0.3，两固定支架之间的间距为L=60m，补偿器的轴向刚度Kx=458 N/m, 补偿器的轴向补偿量Δl=180mm，无机保温材料为双层微孔硅酸钙瓦，其厚度δ3=130mm、容重γ3=230kg/m3，有机保温层为耐高温聚氨酯，其厚度δ4=30mm、容重γ4=60kg/m3，管顶埋深H=1.5m、土的容重γ5=1800 kg/m3。
1. 外载引起的轴向应力
⑴内压推力P1=P×A0=0.98×106×1611×10－4=157878 N ⑵补偿器的弹性力P2=Kx×Δl=458×180=82440 N
⑶摩擦力 P3
工作管重 G1=708 N/m
隔热层重 G2=512 N/m
有机保温层G3=32 N/m
计算重量 G0=G1＋G2＋G3=708＋512＋32=1252 N/m
=μ×G0×L=0.3×1252×60=22536 N
⑷轴向合外力P0=1.5×（P1＋P2＋P3） =1.5×（157878＋82440＋22536）=394280N
⑸套管的截面积 A=0.01655m2
⑹验算套管的轴向应力σ1=P0/A=394280/0.01655=23.8MPa 套管轴向受拉。
⒉由于温度升高引起的轴向应力σt ：
由于卫生及防腐等各方面的要求；套管表面温度不超过50℃。 假设套管的温升Δt=50℃
σt=αE Δt=12.2×10－6×20×1010×50=122 MPa套管轴向受压。
3. 埋土引起的径向应力σ3：
σ3=〔1.2×（H ＋D2/2）×D2×γ5×g/(2×δ2×1)=〔1.2（1.5＋0.76/2）×0.76×1800×9.8〕/（2×0.007×1）=2.2 MPa套管径向受压。
4. 结论
根据《城镇直埋供热管道工程规程》允许锚固段存在的条件： σj= (1－ν) σt －αE(t2－t1)≤3〔σ〕
按最不利的条件考虑 122 ≤3×125=375 MPa
外套管可以不考虑补偿。
(二) 外固定支架的计算，见其他资料，本文不一一赘述。
四、各部分的作用
(一) 固定支架传力肋板。
1. 支架传力肋板：
焊缝高度为不小于被焊薄件的厚度。如果推力增大可以延长传力肋板的长度，应进行焊缝长度验算。
注意：在工作管的外侧附加一块弧形板。
2. 挡板：
在该固定支架中挡板的主要作用是将长保温管段分成若干个独立的空间，防止一旦某管段工作管泄漏产生高温引起有机保温层大面积炭化，使其保温性能失败。
(二) 排潮管
排潮管是直埋蒸汽管道不可缺少的重要组成部分，在设计、施工中不可忽视。因为保温管在制作、运输、安装过程中不可能保证各种材料都处于干燥状态；而且即使在280℃以上的直埋蒸汽管道上仍可能有潮湿的保温层。而且有时受工期的影响，无机材料本身的干燥程度就可能不够，所以在运行的过程中不可避免的有潮气存在，若不将这部分潮气排出，可能导致保温层、防腐层破坏。同时在潮湿的环境中钢套管内腐蚀速度大大加快，也可能导致塑料套管“放炮”，直至整个保温破坏。另外，排潮管与挡板组合，将保温管分成若干个相对独立的管段。利用设在补偿管段两端排潮不仅解决了管道排潮问题，还相当于一个信号管的作用，可用大致 判断出工作管泄露的位置，缩短排除故障的时间。
(三) 套管弯头
1. 对钢套钢直埋蒸汽管道，为减小温度变化引起套管弯头应力过大，对工作管的弯头最好选用曲半径R≥3.5Dn，外套管根据工作管的半径确定弯曲半径。
2. 塑套钢直埋蒸汽管道，工作管的弯头可采用小弯曲半径的弯头。
五、结束语
蒸汽管道直埋是一项系统工程，其中有一个环节出现问题，都可能导致前功尽弃，所以无论从设计、施工、运行、维护都必须从严要求，认真组织，精心施工。任何一种新事物的产生都不会一帆风顺，直埋蒸汽管道也是如此，但最终必将会有一个广阔的发展空间。
一种新型无热桥直埋蒸汽管道固定支架
耿涛
近几年，随着我国各项事业的飞速发展，城镇居民对生活品质舒适性的要求和城镇建设环保节能要求的不断提高，“热电联产”事业得到了前所未有的发展。而与热电联产事业密切相关的蒸汽管道直埋技术因其特殊性和重要性逐渐成为国内供热行业攻关重点。近年来通过广大技术人员长期不懈的努力，在蒸汽管道直埋技术的研究、相关产品开发和管理方面都取得了长足进步，并大量应用于工程实践。本文将对直埋蒸汽管道固定支架的型式及外套钢管是否进行补偿进行探讨并着重推介一种可实现无热桥的直埋蒸汽管道固定支架。
一、直埋蒸汽管道保温结构简介
(一) 钢套钢内滑动结构：
内滑动结构有些资料也称其为无空气层复合保温结构，其结构由内向外分别为工作管、耐磨减阻层、耐高温无机隔热层、铝箔反射层、有机保温层、钢套管、防腐层。
此种结构在工作时，工作管在无机隔热层内表面发生滑动，由于隔热层一般采用微孔硅酸钙，其抗压、耐磨性能良好，而且在实际管道运行过程中，工作管的伸长值有限。同时耐磨减阻层的存在，工作管的滑动对无机保温层有一定的磨损作用，但影响不大。
(二) 钢套管外滑动结构：
外滑动结构有些资料称其为有空气层复合保温结构，分为抽真空式和不抽真空式。其结构由内向外分别为工作管、保温层、空气层、钢套管、防腐层。
这种结构在工作时，工作管与保温层一起伸长变形，能够很好的保护保温层，这种型式的结构使用保温材料的选择面较宽，不必全面考虑保温材料的抗压性能指标。抽真空结构在工作过程中定期用真空泵将空隙中的空气抽出，以增强保温性能和减轻钢套管的内腐蚀。
(三) 塑套钢的保温结构：
塑套钢的保温结构与钢套钢的内滑动保温结构基本相同，只不过将外套管由钢管换成了塑料管，塑料管的材料一般多采用高密度聚乙烯。塑料管的特点是抗腐蚀性能好，但也有一定的缺点，补口处容易漏水，甚至引起套管“放炮”。而且一旦发生，往往是大面积的破坏，修复非常困难。
二、可消除热桥的直埋蒸汽管道新型固定支架
(一) 固定支架简介
以上简单介绍了直埋蒸汽保温管道的保温结构。无论采用哪种结构型式都少不了固定支架。固定支架因其承力结构不同，分为内固定支架和外固定支架。
内固定支架只能在钢套钢直埋蒸汽管道中使用，承力结构是外套钢管。外固定支架的承力结构是混凝土支架，外固定支架可用于钢套钢和塑套钢的直埋蒸汽管道。
以往塑套钢的外固定支架的构造是在固定支架部分采用一段与
塑套管管径接近的一段钢套管做成固定支架，施工过程中存在两个钢塑接口。这两个接口通常采用热收缩带现场补口，由于热桥的存在这两个口非常容易出问题；而且其固定支架型式、材料复杂、工作不可靠、热桥严重而直接影响钢套管的防腐和混凝土的强度。
(二) 新型固定支架的工作原理
这种新型固定支架由于采用了“截、衰、阻”的原理，而非常有效的解决了热桥问题，同时该固定支架工作可靠，加工制作方便，成本增加也不多。
1.“截”就是在一个适当的位置将套管截断，从而截断了热桥，热量无法传递。
2.“衰”就是利用温度衰减原理，延长挡板、肋板与套管连接处到套管与附加套管连接处的距离，使套管与附加套管连接处的温度大大降低，进而消除了温度对防腐层和钢塑接口的影响，使防腐层能够可靠的工作、使热收缩带不发生因受热造成的脱落。
3.“阻”就是利用保温材料的保温性能将保温材料包裹在工作管、补偿器的外套管、钢套管的表面，阻断热量的辐射和对流传递的途径，以减少高温面对低温面的影响。
通过以上处理，解决了传统固定支架的热桥问题。
三、固定支架的验算及各部分的作用
(一) 内固定支架的钢套管强度验算：
按最不利条件进行验算：选择工作管外径D1=426mm、壁厚δ1=7mm为例进行验算，套管钢套管外径D2=762mm、为壁厚δ2=7mm，
补偿器的有效面积A0=1611cm2；附加钢套管外径D3=920mm、壁厚δ3=8mm。
假设介质温度t=280℃、压力P=0.98 MPa，工作管与保温材料之间的摩擦系数μ=0.3，两固定支架之间的间距为L=60m，补偿器的轴向刚度Kx=458 N/m, 补偿器的轴向补偿量Δl=180mm，无机保温材料为双层微孔硅酸钙瓦，其厚度δ3=130mm、容重γ3=230kg/m3，有机保温层为耐高温聚氨酯，其厚度δ4=30mm、容重γ4=60kg/m3，管顶埋深H=1.5m、土的容重γ5=1800 kg/m3。
1. 外载引起的轴向应力
⑴内压推力P1=P×A0=0.98×106×1611×10－4=157878 N ⑵补偿器的弹性力P2=Kx×Δl=458×180=82440 N
⑶摩擦力 P3
工作管重 G1=708 N/m
隔热层重 G2=512 N/m
有机保温层G3=32 N/m
计算重量 G0=G1＋G2＋G3=708＋512＋32=1252 N/m
=μ×G0×L=0.3×1252×60=22536 N
⑷轴向合外力P0=1.5×（P1＋P2＋P3） =1.5×（157878＋82440＋22536）=394280N
⑸套管的截面积 A=0.01655m2
⑹验算套管的轴向应力σ1=P0/A=394280/0.01655=23.8MPa 套管轴向受拉。
⒉由于温度升高引起的轴向应力σt ：
由于卫生及防腐等各方面的要求；套管表面温度不超过50℃。 假设套管的温升Δt=50℃
σt=αE Δt=12.2×10－6×20×1010×50=122 MPa套管轴向受压。
3. 埋土引起的径向应力σ3：
σ3=〔1.2×（H ＋D2/2）×D2×γ5×g/(2×δ2×1)=〔1.2（1.5＋0.76/2）×0.76×1800×9.8〕/（2×0.007×1）=2.2 MPa套管径向受压。
4. 结论
根据《城镇直埋供热管道工程规程》允许锚固段存在的条件： σj= (1－ν) σt －αE(t2－t1)≤3〔σ〕
按最不利的条件考虑 122 ≤3×125=375 MPa
外套管可以不考虑补偿。
(二) 外固定支架的计算，见其他资料，本文不一一赘述。
四、各部分的作用
(一) 固定支架传力肋板。
1. 支架传力肋板：
焊缝高度为不小于被焊薄件的厚度。如果推力增大可以延长传力肋板的长度，应进行焊缝长度验算。
注意：在工作管的外侧附加一块弧形板。
2. 挡板：
在该固定支架中挡板的主要作用是将长保温管段分成若干个独立的空间，防止一旦某管段工作管泄漏产生高温引起有机保温层大面积炭化，使其保温性能失败。
(二) 排潮管
排潮管是直埋蒸汽管道不可缺少的重要组成部分，在设计、施工中不可忽视。因为保温管在制作、运输、安装过程中不可能保证各种材料都处于干燥状态；而且即使在280℃以上的直埋蒸汽管道上仍可能有潮湿的保温层。而且有时受工期的影响，无机材料本身的干燥程度就可能不够，所以在运行的过程中不可避免的有潮气存在，若不将这部分潮气排出，可能导致保温层、防腐层破坏。同时在潮湿的环境中钢套管内腐蚀速度大大加快，也可能导致塑料套管“放炮”，直至整个保温破坏。另外，排潮管与挡板组合，将保温管分成若干个相对独立的管段。利用设在补偿管段两端排潮不仅解决了管道排潮问题，还相当于一个信号管的作用，可用大致 判断出工作管泄露的位置，缩短排除故障的时间。
(三) 套管弯头
1. 对钢套钢直埋蒸汽管道，为减小温度变化引起套管弯头应力过大，对工作管的弯头最好选用曲半径R≥3.5Dn，外套管根据工作管的半径确定弯曲半径。
2. 塑套钢直埋蒸汽管道，工作管的弯头可采用小弯曲半径的弯头。
五、结束语
蒸汽管道直埋是一项系统工程，其中有一个环节出现问题，都可能导致前功尽弃，所以无论从设计、施工、运行、维护都必须从严要求，认真组织，精心施工。任何一种新事物的产生都不会一帆风顺，直埋蒸汽管道也是如此，但最终必将会有一个广阔的发展空间。