CN111022760A - 直埋敷设蒸汽管道结构及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了直埋敷设蒸汽管道结构，涉及热力管道技术领域，包括芯管，芯管包括左管段和右管段，左管段和右管段之间连接有一次性补偿器，左管段和右管段上均套设有套管，套管与左管段之间以及套管与右管段之间均填充有保温层。针对现有技术存在波纹管频繁伸缩易破损的问题，本发明采用无补偿敷的方式铺设蒸汽管网，简化热网安装工程，降低造价，消除因补偿器破损引发灾害的风险。
Description
技术领域
本发明涉及热力管道技术领域，更具体地说，它涉及直埋敷设蒸汽管道结构及其施工方法。
背景技术
蒸汽管网有两种敷设方式，架空敷设和直埋敷设。架空敷设是主流，但在城市繁华地区不适合架空敷设。城区热网敷设方式是直埋敷设。直埋敷设蒸汽管网在我国己经有二十至三十年的历史。已经有相对稳定的成熟的技术。直埋敷设的蒸汽管道一律设置波纹补偿器，用以消化吸收因蒸汽温度变化引起蒸汽管道的伸长和收缩。在蒸汽管网中，金属波纹管补偿器几乎是当下唯一可选择的补偿配置。补偿器里的金属波纹管则是热网中最脆弱的部分。金属波纹管需要通过伸缩变形实现补偿功能。
由于波纹管壁很薄，且波纹管频繁伸缩，金属易发生疲劳或开裂，当热网发生汽水冲击时，波纹管首先爆裂，成为热网常见事故。当波纹管破裂后，蒸汽会窜到热网保温层中引发次生灾害，后果更严重。
发明内容
针对现有技术存在波纹管频繁伸缩易破损的问题，本发明的目的是提供直埋敷设蒸汽管道结构及其施工方法，采用无补偿敷的方式铺设蒸汽管网，简化热网安装工程，降低造价，消除因补偿器破损引发灾害的风险。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
直埋敷设蒸汽管道结构，包括芯管，所述芯管包括左管段和右管段，所述左管段和所述右管段之间连接有一次性补偿器，所述左管段和所述右管段上均套设有套管，所述套管与所述左管段之间以及所述套管与所述右管段之间均填充有保温层。
通过上述技术方案，使用时，先向芯管内预通入蒸汽，芯管受热后，左管段和右管段相互靠近，对接同轴抵紧，同时带动一次性补偿器对接抵紧，周向焊接一次性补偿器外套管；然后，补齐上述一次性补偿器所在位置外套钢管的缺口，对周向接缝和轴向接缝施焊，使密封。正常工作过程中，芯管产生的内应力由套管和芯管共同承担。
进一步的，所述套管管壁横截面面积大于所述芯管管壁横截面面积。
通过上述技术方案，套管的强度稍大于芯管的强度，外套的伸缩变量小于芯管，且外套套设于地下，受土壤的包裹，外套吸收更多来自芯管的伸缩应力。
进一步的，所述芯管上设置有转角，所述转角处的角度小于30°，所述转角的曲率半径大于等于四倍的所述芯管直径。
通过上述技术方案，通过控制转角处的角度，避免芯管受热内变形，抵压套管内壁。
进一步的，所述一次性补偿器为一次性套筒补偿器或一次性轴向内压金属波纹管补偿器。
进一步的，所述芯管最高温度与最低温度之差的一半温差所对应的管段热伸长量为待补偿量ΔL；
所述一次性补偿器的补偿量等于待补偿量ΔL±20mm。
通过上述技术方案，利用一次性补偿器吸收芯管最大伸缩量的一半，剩余伸缩应变力由一次性补偿器外套和套管吸收。
进一步的，所述芯管内的蒸汽压力不大于1.0MPa,蒸汽温度不高于220℃；
在蒸汽管网服役期间，蒸汽钢管的温度始终不低于30℃。
通过上述技术方案，降低管网蒸汽入口压力和入口温度，间接地提高热电厂发电热效率，热网自身热效率也从中受益。
进一步的，所述芯管上连通有功能管，所述功能管的连接处均作补强处理，所述功能管与所述芯管连接处的管壁横截面面积均大于或等于所述芯管管壁横截面面积。
通过上述技术方案，避免由于在芯管上安装功能管，在芯管上形成应力集中点。
进一步的，所述芯管上设置有变径管，所述变径管设置于小管径管段中。
通过上述技术方案，用于确保蒸汽管网铺设后使用的安全性。
进一步的，所述芯管的材质与蒸汽最高温度匹配，蒸汽最高温度值越高，所述芯管材质的许用应力越高。
通过上述技术方案，根据蒸汽最高温度选用合适的芯管材质。
直埋敷设蒸汽管道结构的施工方法，包括如下步骤：
S1，按照敷设路线确定直埋管道敷设深度并开挖沟槽；
S2，将直埋敷设蒸汽管道结构铺设于沟槽内，相邻的芯管焊接；
S3，除一次性补偿器处，其他芯管焊口处的外套钢管补口密封；
S4，向芯管内初步通入蒸汽，一次性补偿器1受热位移，一次性补偿器1的外壳前后端合拢时将其外壳周向焊接密封固定；
S5，将一次性补偿器所在位置的外套管钢管缺口补齐，周向焊接封密两套管；
S6，回填沟槽并夯实。
通过上述技术方案，蒸汽管网采用直埋无补偿敷设，简化热网安装工程，造价降低，因补偿器破损引发灾害的风险消除，提高热网的安全性能，且管网维修工作量大幅度下降。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)实现蒸汽管网直埋敷设无补偿技术，将使热网安装工程简化，造价降低，因补偿器破损引发灾害的风险消除，提高热网的安全性能，且管网维修工作量大幅度下降；
(2)采用无补偿技术要求尽量降低管网蒸汽入口压力和入口温度，间接地提高热电厂发电热效率，热网自身热效率也从中受益。
附图说明
图1是直埋敷设蒸汽管道结构的结构示意图。
附图标记：1、一次性补偿器；2、左管段；3、右管段；4、套管；5、保温层；10、左外套；11、右外套；12、密封圈；13、挡板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一：
直埋敷设蒸汽管道结构，如图1所示，包括芯管，芯管为输送工业水蒸气采用的钢管，芯管包括左管段2和右管段3，左管段2和右管段3之间连接有一次性补偿器1，左管段2和右管段3上均套设有套管4，套管4与左管段2之间以及套管4与右管段3之间均填充有保温层5，两套管4相互远离的一端与芯管之间均固定有端封。
其中，一次性补偿器1为一次性套筒补偿器或一次性轴向内压金属波纹管补偿器，图示为一次性套筒补偿器，一次性套筒补偿器包括固定于左管段2上的左外套10和固定于右管段3上的右外套11，右外套11远离右管段3的一端呈开口设置，左管段2的一端插接设置于右外套11的开口内，右外套11与左管段2之间设置有密封圈12，右外套11内还固定有用于限制密封圈12移动的挡板13；若采用一次性轴向内压金属波纹管补偿器，密封圈12和挡板13应替换为波纹管段。
使用时，先向芯管内预通入蒸汽，芯管受热后，左管段2和右管段3相互靠近，对接同轴抵紧，同时带动左外套10和右外套11对接抵紧，焊接左外套10和右外套11对接处的周侧，将左外套10和右外套11焊接固定；接下来将一次性补偿器所在位置的外套钢管缺口补齐并焊接牢固，使密封。正常工作过程中，芯管产生的内应力由套管4吸收，套管4管壁横截面面积稍大于芯管管壁横截面面积，故套管4的强度大于芯管的强度，外套的伸缩变量小于芯管，且外套套设于地下，受土壤的包裹，外套吸收更多来自芯管的伸缩应力。
芯管最高温度与最低温度之差的一半温差所对应的管段热伸长量为待补偿量ΔL，一次性补偿器1的补偿量等于待补偿量ΔL±20mm，利用一次性补偿器1吸收芯管最大伸缩量的一半，剩余伸缩应变力由一次性补偿器1外套和套管4吸收。
在蒸汽管网服役期间，芯管内的蒸汽压力不大于1.0Mpa，稳定压力，提高热网使用的稳定性,蒸汽温度不高于220℃，蒸汽钢管的温度应始终不低于30℃，控制芯管的最大温度变化幅度。
实施例二：
直埋敷设蒸汽管道结构，与实施例一的不同之处在于，芯管上设置有转角，转角处的角度小于30°，转角的曲率半径大于等于四倍的芯管直径，也可以用2°以下多个小折角过渡。
芯管上连通有功能管件，功能管包括弯管、三通、疏水、变径等其中一个或者多个的组合，功能管件的连接处均作补强处理，功能管件与芯管连接处的管壁横截面面积均大于或等于芯管管壁横截面面积，避免芯管与功能管件的连接处形成应力集中点。
当蒸汽管管径变化时，芯管上会连接有变径管，变径管(大小头)设置在小管径管段的起点，不得设置在大管径管段的尾端，固定节设置于大管径管段上；芯管的材质与蒸汽最高温度匹配，蒸汽最高温度值越高，芯管材质的许用应力应当越高，确保芯管的材质能够满足蒸汽温度的需求。
直埋敷设蒸汽管道结构的施工方法，包括如下步骤：
S1，按照敷设路线确定直埋管道敷设深度并开挖沟槽；
S2，将直埋敷设蒸汽管道结构铺设于沟槽内，相邻的芯管焊接；
S3，除一次性补偿器处，其他芯管焊口处的外套钢管补口密封；
S4，向芯管内初步通入蒸汽，一次性补偿器1受热位移，一次性补偿器1的外壳前后端合拢时将其外壳周向焊接密封固定；
S5，将一次性补偿器所在位置的外套管钢管缺口补齐，周向焊接封密两套管；
S6，回填沟槽并夯实。
本发明根据我国行业标准CJJ/T81-2013城镇供热直埋热水管道技术规程中5.3.5规定的工作管直管当量应力变化范围限定公式：
σj＝(1-v)σt+αxE(t1-t2)≤3[σ] 5.3.5-1
公式中
σj——介质在工作管中的内压和热应力的当量应力变化范围，MPa；
ν——钢材的泊松系数，取0.3；
α——钢材的线膨胀系数，m/m.℃；
E——钢材的弹性模量，MPa；
αxE可取等于2.4MPa/℃。
t1——管道工作循环最高温度，℃；
t2——管道工作循环最低温度，℃；
[σ]——钢材的许用应力，MPa；
σt——管中介质压力引起的环向应力，MPa。
Di——蒸汽管内径，m；
δ——蒸汽管壁厚，m。
本发明根据所述规程中公式5.3.5-1和公式5.3.1-2设定蒸汽管道允许的最低温度t2应不低于30℃，管道中蒸汽最高温度t1应不超过220℃。规定管段中蒸汽压力应不高于1.0MPa。并根据t1和t2之差，分别选用20号、20G，25MnG或更优的15CrMoG等为蒸汽钢管的材质。
在所述芯——套封闭的管段内管道材质应均匀一致。管道壁厚应均匀一致。管段内包含弯管、三通、疏水、变径管等其中一个或者多个，管件的管壁横截面面积应等于或大于母管管壁横截面面积。
本发明是这样实施的。按着行业标准CJJ/T104-2014城镇供热直埋蒸汽管道技术规程中关于管道敷设的要求，管道下沟、对焊、试压并回填，夯实。只有图1中一次性补偿器1处仍保持开口状态。取一个中间温度t3：
根据施工时环境温度ta，调节一次性补偿器1的行程ΔL，使
ΔL＝αxL·(t3-ta)
公式中L——管段长度。
之后接通蒸汽。当一次性补偿器1受热位移，外壳前后端合拢时将补偿器的外壳焊接，使闭合。接下工作为封闭一次性补偿器处管段外套钢管，合口后回填土并夯实。在之后的热网服役期间须始终保持管段最低温度t2不低于30℃。
例1：
蒸汽管道规格φ159x6,钢套管4规格φ480x8。蒸汽最高压力P＝1.MPa。最高温度t1＝200℃。安装管道时环境温度ta＝20℃。管段长L＝100m
本案设定蒸汽管服役期间允许最低温度不得低于30℃。在管段中设置一次性套筒补偿器。补偿器伸长行程ΔL按下列公式确定
ΔL＝α·L·(t3-ta)
本案蒸汽管的平均温度
取中间温度t3＝130℃
ΔL＝0.0125x100 x(130-20)＝137.5mm
ΔL为管段预伸长长度。管道通汽后，蒸汽钢管温度由20℃升高到130℃时补偿器外壳合拢。此时将补偿器外壳焊接合口。一次性补偿器1完成使命，成为蒸汽管中一部分。
本案所述蒸汽管段中蒸汽钢管中应力变化范围最高值用公式5.3.5-1计算
将相应数据代入得
根据计算结果，蒸汽钢管材质的许用应力[σ]应满足
查钢管材料物理性质表，20G钢管在200℃时许用应力[σ]为143MPa本案蒸汽钢管材质选20G可满足要求。
本案蒸汽钢管在130℃时，一次性补偿器合口，此时蒸汽钢管中应力等于零。蒸汽管在温度达到200℃时和30℃时的应力分别为
σ1＝Exα(t1-t3)
＝2.4x(200-130)
＝168MPa
σ2＝Exα(t3-t2)
＝2.4x(130-30)
＝240MPa20G钢材的屈服极限σs＝245MPa。在尚未考虑钢材屈服增强系数时：σs>σ2>σ1。
可以确认，本案蒸汽钢管不会发生屈服变形。
本案在蒸汽钢管中应力达到最高值(σ2＝240MPa)时，外套钢管中应力σ′按下式计算：
D'和δ'分别为套管直径和壁厚：
查Q235钢材的屈服极限σs＝235MPa。远远大于所承受的应力。本案外套钢管材质选择Q235。外套钢管不会发生塑性变形。
例2：
蒸汽钢管规格为φ133x4,外套钢管规格为φ426x8。蒸汽压力P＝1.0MPa管段中蒸汽最高温度t1＝180℃。管段最低温度t2＝30℃
本案蒸汽管段中应力变化范围用公式5.3.5-1计算
将数据代入公式
蒸汽钢管钢材的许用应力应满足：
查钢材性质表，20号钢180℃时许用应力[σ]＝142.6MPa。已超过需要的123.6MPa。本案蒸汽钢管钢材选用20号钢可满足要求。
例3：
蒸汽钢管规格为φ426x8，套管规格为φ820x8。蒸汽压力P＝1.0MPa管段中蒸汽最高温度t1＝210℃，蒸汽钢管最低温度不低于30℃
本案蒸汽管段中应力变化范围用公式5.3.5-1计算
将相关数据代入上面公式
得
查钢材性质表，25MnG牌号钢材在210℃时的许用应力[σ]＝156.6MPa。本案选25MnG低合金钢为蒸汽钢管管材。
综上所述：
本发明使用时，实现蒸汽管网直埋敷设无补偿技术，将使热网安装工程简化，造价降低，因补偿器破损引发灾害的风险消除，提高热网的安全性能，且管网维修工作量大幅度下降；采用无补偿技术要求尽量降低管网蒸汽入口压力和入口温度，间接地提高热电厂发电热效率，热网自身热效率也从中受益。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.直埋敷设蒸汽管道结构，包括芯管，所述芯管包括左管段（2）和右管段（3），其特征在于，所述左管段（2）和所述右管段（3）之间连接有一次性补偿器（1），所述左管段（2）和所述右管段（3）上均套设有套管（4），所述套管（4）与所述左管段（2）之间以及所述套管（4）与所述右管段（3）之间均填充有保温层（5）。
2.根据权利要求1所述的直埋敷设蒸汽管道结构，其特征在于，所述套管（4）管壁横截面面积稍大于所述芯管管壁横截面面积。
3.根据权利要求2所述的直埋敷设蒸汽管道结构，其特征在于，所述芯管上有转角，所述转角处的角度小于30°，所述转角的曲率半径大于等于四倍的所述芯管直径。
4.根据权利要求1所述的直埋敷设蒸汽管道结构，其特征在于，所述一次性补偿器（1）为一次性套筒补偿器或一次性轴向内压金属波纹管补偿器。
5.根据权利要求1所述的直埋敷设蒸汽管道结构，其特征在于，所述芯管最高温度与最低温度之差的一半温差所对应的管段热伸长量为待补偿量ΔL；
所述一次性补偿器（1）的补偿量等于待补偿量ΔL±20mm。
6.根据权利要求1所述的直埋敷设蒸汽管道结构，其特征在于，所述芯管内的蒸汽压力不大于1.0MPa,蒸汽温度不高于220℃；
在蒸汽管网服役期间，蒸汽钢管的温度始终不低于30℃。
7.根据权利要求1所述的直埋敷设蒸汽管道结构，其特征在于，所述芯管上连通有功能管件，所述功能管件的连接处均作补强处理，所述功能管件与所述芯管连接处的管壁横截面面积均大于或等于所述芯管管壁横截面面积。
8.根据权利要求1所述的直埋敷设蒸汽管道结构，其特征在于，所述芯管上设置有变径管，所述变径管设置于小管径管段中。
9.根据权利要求1所述的直埋敷设蒸汽管道结构，其特征在于，所述芯管的材质与蒸汽最高温度匹配，蒸汽最高温度值越高，所述芯管材质的许用应力越高。
10.权利要求1-9中任一项所述的直埋敷设蒸汽管道结构的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，按照敷设路线确定直埋管道敷设深度并开挖沟槽；
S2，将直埋敷设蒸汽管道结构铺设于沟槽内，相邻的芯管焊接；
S3，除一次性补偿器处，其他芯管焊口处的外套钢管补口密封；
S4，向芯管内初步通入蒸汽，一次性补偿器1受热位移，一次性补偿器1的外壳前后端合拢时将其外壳周向焊接密封固定；
S5，将一次性补偿器所在位置的外套管钢管缺口补齐，周向焊接封密两套管；
S6，回填沟槽并夯实。
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