摘要：直埋蒸汽管道因具有施工进度快、保温性能好、工程造价低、节约建筑材料等优点而得到了越来越广泛的应用。本文依据《城镇直埋供热蒸汽管道技术规程》，并结合工程实例对直埋蒸汽管道的设计进行分析。
关键词：直埋管道；热补偿；固定架；推力
一、直埋蒸汽管道技术发展概况
蒸汽管道由于输送的介质温度高，管道热位移大，不能采用热水管道的保温材料和保温结构形式进行直埋。在热水管道直埋技术发展的基础上，国内厂商研发出了适合高温蒸汽管道直埋敷设的保温材料和保温结构形式，并已大量应用到实际工程中。
二、直埋蒸汽管道热补偿设计
2.1 直埋蒸汽管道热补偿器
直埋蒸汽管道的热补偿形式和架空管道的热补偿形式基本相同。直埋管道的走向和布置首先应考虑管道本身的自然补偿，当自然补偿不能满足要求时，再用补偿器补偿。由于受到保温结构的限制，管网直段一般采用直埋式轴向型补偿器。补偿器和工作管一样，采用外套管全封闭形式。通常轴向型波纹补偿器都布置在固定架旁边以防止轴向失稳。当弯头处采取自然补偿的方式时，要求弯头及其两侧一定长度的管道有足够的轴向位移及径向位移空间。
2.2 直埋管系的补偿分段原则
用固定支架把管系分成若干管段，每个管段的伸缩由这个管段内的补偿器来吸收，称为分段补偿。
（1）较长直管段分段原则
由于管道埋在土中，它的伸缩受到泥土的阻力，阻力的大小与分段的长短有关。分段越长受到的阻力越大。在某个长度下，阻力在管截面上产生的应力达到材料的许用应力时，这个长度称为最大安装长度。一般的分段原则是：每段相对泥土可伸缩的管段长度≤最大安装长度最大安装长度参考表：
（2）对于有分支和拐弯的关管道分段原则
对于直埋管道，分支管、弯管有整体横向位移时，必然受到很大的泥土阻力，当其超过材料承受能力会造成破坏。所以一般在分支管和拐弯处设置固定支架，不让其移动。如果不能固定，需采取相应的缓冲措施，保护三通和弯头。
三、工程实例计算
现以我院承担设计的某直埋蒸汽管道为例进行分析、计算。
本工程采用Ø89×4的无缝钢管，输送介质P=0.7MPa，T=200℃的过热蒸汽。管道采用直埋敷设，管道直段热补偿采用直埋外压式波纹补偿器。
图中管线直管段 55米。根据上述2.2直埋管系的补偿分段原则，拟将固定架设置如下两种方案进行分析比较。
3.1方案1计算
如下图，方案1中直管段补偿器靠近3号次固定支架对称布置。下面分别计算2号，4号主固定支架推力和3号次固定支架推力，计算如下。
补偿器的主要参数如下：
（1）总刚度：KW=139N/mm；补偿量：△x=82mm；补偿器总长：L=817mm
（2）管道单位长度计算荷载：K=400N/m
（3）管道热伸长△x=α×△T×L×K=12.25×10-4cm/（m•℃）×1m×180℃×0.7=1.55mm
（4）固定架水平推力计算：2号和4号主固定架水平推力计算
FH1=（P0×A+FA+µqL3）-0.7Kcosα（0.5L+L2）-0.7FX
式中：输送介质压力 P0=0.7MPa；波纹补偿器的有效面积 A=121cm2，则：P0×A=8470N。
补偿器的刚度产生的弹性力FA= KW×△x×24m=139N/mm×1.55mm/m×24m=5171N
µqL3=0.3×400N×50m=6000N。
0.7Kcosα（0.5L+L2）=0.7×400×cosα（0.5×3.5+3.5）=735N
FH1=（8470+5171+6000）-735-0.7×1000=18206N。
3号次固定支架水平推力
FH2=（P0×A+FA+µqL3）-0.7（P0×A+FA+µqL3）
=（8470+5171+6000）-0.7（8470+8340+6000）=5892N
3.2方案2计算
如下图方案2中，直管段补偿器靠近2号，4号主固定支架布置，3号位置为管道驻点，下面分别计算2号，4号主固定支架推力计算如下。
2号和4号主固定架水平推力计算
FH1′=（P0×A+FA）-0.7Kcosα（0.5L+L2）-0.7FX
FA= KW×△x×24m=139N/mm×1.55mm/m×24m=5171N
0.7Kcosα（0.5L+L2）=0.7×400×cosα（0.5×3.5+3.5）=735N
FH1′=（8470+5171）-735-0.7×1000=12206N
经比较，FH1′＜FH1，且方案1中的3号固定支架在方案2中变成了驻点，这样节省了土建投资。因此方案2比方案1合理。
以上固定支架受力还应与管道水压试验产生的内压力相比较，取其大者作为固定架受力的设计依据。
结 论
以上对直埋蒸汽管道的热补偿设计进行了分析、计算。通过以上分析计算可以看出，直管段上热补偿要充分利用管道热膨胀时的驻点，以减小主固定之间的推力，节省土建投资。两固定支架间距或者固定支架到管道驻点的距离小于等于最大安装长度。
由于直埋管道埋在地下，其分支管、弯管整体横向位移必然受到很大的泥土阻力。利用管道拐弯处的自然补偿是非常有限的，而且弯管部分受力容易超过管材的许用应力，对管道造成损坏。所以在分支管和拐弯处一般应设置固定支架，不让其移动。如果不能固定，需采取相应的缓冲措施，保护三通和弯头。
在工程设计中，需要合理的进行直埋蒸汽管道热补偿的分析、设计，以达到节约投资，减少管道检修，运行稳定的目的。
参考文献：
[1] 《动力管道设计手册》北京：机械工业出版社：2006
[2] CJJ104-2005/J456-2005《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》北京：中国建筑工业出版社：2005
[3] 《直埋供热管道工程设计》北京：中国建筑工业出版社：2006
论文作者:李云飞
论文发表刊物:《电力设备》2018年第26期
论文发表时间:2019/1/16
标签：管道论文; 蒸汽论文; 支架论文; 推力论文; 长度论文; 补偿器论文; 方案论文; 《电力设备》2018年第26期论文;