摘　要：介绍直埋蒸汽管道复合保温层的塑(或玻璃钢)套钢结构、钢套钢结构。以钢套钢结构的直埋蒸汽管道(设计温度为300℃，设计压力为1.6 MPa，公称直径400 mm的工作管)为例，进行复合保温材料的厚度计算。

关键词：直埋蒸汽管道  复合保温  塑套钢　钢套钢　保温材料厚度

Calculation Example of Composite Insulation Material Thickness of Directly Buried Steam Pipe

Absract：The fiberglass reinforced plastic(FRP)jacket structure and steel jacket structure of composite insulation layer of directly buried steam pipe are introduced．Taking directly buried steam pipe with steel jacket(under design temperature of 300℃，design pressure of l.6 MPa and nominal diameter of 400mm)for example，the thickness of composite insulation material is calculated．

Key words：directly buried steam pipe；composite insulation；fiberglass reinforced plastic(FRP) jacket；steel jacket；insulation material thickness

1　直埋蒸汽管道的结构

近年来，直埋蒸汽管道在北方城市应用越来越多。当蒸汽管道穿越城市主干道以及涉及到美化环境时，直埋敷设方式能够很好地解决此问题，而且因其施工进度快、保温性能好、工程造价低、节约材料等特点得到了越来越广泛的应用。

直埋蒸汽管道的保温非常重要，保温设计应符合减少散热损失、节约能源、满足工艺要求、保持生产能力、提高经济效益、防止烫伤等基本原则。

由于直埋蒸汽管道输送的介质温度很高，一般超过200℃，所以不能像直埋热水管道那样采用聚氨酯作为单一保温层，因为聚氨酯的碳化温度在142℃左右，因此不少厂家的直埋蒸汽管道采用了复合保温结构。直埋蒸汽管道分为塑(或玻璃钢)套钢和钢套钢两种结构。

①塑(或玻璃钢)套钢结构

塑(或玻璃钢)套钢结构从内到外依次为工作管、润滑层、复合保温层、高密度聚乙烯(或玻璃钢)外护管，其中复合保温层一般从内到外为无机保温层、聚氨酯泡沫保温层，为了进一步减少辐射热损失，有时在无机保温层外加设铝箔反射层。润滑层材料一般为无机润滑剂，润滑层的作用是使工作管与复合保温层之间能产生相对滑动，避免工作管和与其接触的无机保温层因热膨胀系数不同而产生相互牵拉的破坏作用^[1]。塑(或玻璃钢)套钢结构一般应用于温度低于220℃的蒸汽管道中。虽然在安全性和使用寿命方面不及钢套钢结构，但是由于其价格相对低廉，因此适用于输送蒸汽要求不高的管道。

②钢套钢结构

钢套钢结构与塑(或玻璃钢)套钢结构大致相同，从内到外依次为工作管、润滑层、复合保温层(内设铝箔反射层)、钢外护管。钢套钢结构耐高温高压能力、使用寿命、安全系数都比塑(或玻璃钢)套钢结构有较大的提高。由于外护管为钢管，因而对于工作管在运行中出现泄漏能起到一定延缓破坏的作用，防止蒸汽溢出伤人。钢外护管防腐大多采用两布三油、三层PE、玻璃钢缠绕、聚脲喷涂以及环氧粉末喷涂等多种形式。

2　复合保温材料选择及厚度计算实例

以钢套钢结构的直埋蒸汽管道为例，进行复合保温材料的选择及厚度计算。管道为f426×7的无缝钢管，设计温度为300℃，设计压力为l.6 MPa，管道当量埋深为2.0m，复合保温材料由内到外依次为离心玻璃棉、聚氨酯硬质泡沫管壳，钢外护管防腐为聚脲喷涂。

2．1　保温材料的选择

直埋蒸汽管道对保温材料提出了较高要求。在实际工程设计中，应根据不同条件(如介质温度、运行工况、地下水位、土壤特性等)对保温材料进行认真比较。据了解，直埋蒸汽管道事故起因多是保温问题。如果保温材料不耐高温，进入保温层的水被蒸汽加热到沸腾状态后，将沿管道迅速蔓延，造成无机保温材料(离心玻璃棉)和有机保温材料(聚氨酯)破孔软化，从而引起大范围保温材料破坏，热导率急剧增大，严重时管道上方地面会出现冒汽现象^[2-3]。由此可见，保温材料的耐煮沸及防水性能对直埋蒸汽管道的安全性和可靠性有很大影响，是保证蒸汽管道安全运行的关键之一。

2．1．1选择原则^[4-5]

①保温材料制品的允许最高使用温度，应高于正常工作时的介质最高温度。

②相同温度范围内有不同保温材料可供选择时，应选用热导率小、密度小、造价低、运输方便、易于施工的材料制品，同时应进行综合比较，经济效益较好的应优先使用。

③在介质温度较高时，综合经济性比较后，可选用复合材料保温，即用耐高温材料和不耐高温材料分层保温。

2．1．2保温材料应具有的主要技术性能

①热导率小：在平均温度不大于350℃时，热导率不得大于0.12W／(m·K)。

②密度小：密度不大于400kg／m³。

③具有一定的强度：硬质成型制品的抗压强度不应小于0.294MPa。

④含水率(质量分数)不得大于7.5％。

⑤保温材料应符合其他国家相关标准的规定。

本实例选择的保温材料均符合上述原则和技术性能。离心玻璃棉性能：密度为50kg／m³，极限使用温度为400℃，推荐使用温度为300℃，热导率为0.043W／(m·K)。聚氨酯硬质泡沫管壳性能：密度为80kg／m³，极限使用温度为l20℃，推荐使用温度为l00℃，热导率为0.033W／(m·K)。

2．2　计算保温材料厚度

采用CJJ l04—2005《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》(以下简称规程)5.2节中的保温计算公式进行计算。此规程适用于工作压力小于或等于l.6 MPa，温度小于或等于350℃，直接埋地敷设的保温蒸汽管道的设计、施工、验收及运行维护。不适用于抽真空保温结构的直埋蒸汽管道。

规程第5．1．3条规定，设计保温结构时，应按外护管外表面温度小于或等于50℃计算保温层厚度。采用复合保温结构时，保温层间的界面温度不应超过外层保温材料安全使用温度的0.8倍。为满足规定要求且结合实际情况，外护管外表面温度假设为40℃，离心玻璃棉保温层的外表面温度假设为90℃。

根据规程第5．1．4条和5．1．5条，且查找管道安装地点的相关实测数据，管道周围土的环境温度为5℃，土的热导率为1.5W／(m·K)。

由于本实例为复合保温设计，所以选择如下公式：

①散热损失(初算值)计算：

式中q——单位管长热损失(初算值)，W／m

t_w——保温管外表面温度，℃

t_s——直埋蒸汽管道周边环境温度，℃

l_g——土的热导率，W／(m·K)

h_d——管道当量埋深，m

D_w,j——根据经验设定的保温层外径，m

②第一层(最内层)保温材料厚度计算：

式中D₁——第一层保温材料外径，m

D₀——工作管外径，M

l₁——第一层保温材料在运行温度下的热导率，w／(m·K)

T₀——工作管外表面温度，℃，可按介质温度取值

T₁——第一层保温材料外表面温度，℃，可按设计要求确定

d₁——第一层保温层厚度，m

③第i层保温材料厚度计算：

式中D_i——第i层保温材料外径，m

D_i-1——第i-l层保温材料外径，m

l_i——第i层保温材料在运行温度下的热导率，w／(m·K)

t_i-1——第i-1层保温材料外表面温度，℃，按设计要求确定

t_i——第i层保温材料外表面温度，℃，按设计要求确定

d_i——第i层保温层厚度，m

④单管敷设的直埋保温管道热损失校核计算：

式中n——管道保温层数最

R_g——直埋蒸汽管道环境热阻，m·K／W

h——管道中心埋深，m

D_w——保温层外径，m

⑤保温层界面温度和保温管外表面温度计算：

式中R_z——保温层总热阻，m·K／W

已知参数：t_w=40℃，t_s=5℃，l_g=1.5W／(m·K)，h_d=2.0m，D₀=426mm，l₁=0.043W／(m·K)，t₀=300℃，l₂=0.033W／(m·K)。先假设一个保温层外径经验值D_w,j=720 mm，根据上文先假设t₁=90℃，t₂=40℃。将这些数据代入以上公式进行计算，将计算得到的散热损失与散热损失校核值相比较，两者相对误差应小于或等于5％。当大于5％时，应将计算得到的保温层外径作为新设定的保温层外径D_w,j，代入以上公式，重新计算散热损失。依此类推，直至计算得到的散热损失与散热损失校核值相对误差小于或等于5％。

由上述公式计算得到第一层保温层厚度为l30mm，第二层保温层厚度为43mm，保温管直径为772mm，因此外护钢管规格选择为f820×10。根据外护钢管规格调整保温层厚度，为保证安全，最终取第一层保温层厚度为l50mm，第二层保温层厚度为47mm。将此结果代入式(7)和式(1)，得第一层保温材料外表面温度t₁=84℃，第二层保温材料外表面温度t₂=35 0C，单位管长热损失为l00W／m。

参考文献：

[1]刘毅，王淮，赵欣刚．蒸汽管道直埋技术的分析与探讨[J]．煤气与热力，2001，21(5)：434-436．

[2]孙卫国．高温蒸汽管道与热水管道直埋的区别[J]．煤气与热力，l997，17(3)：47-48．

[3]王淮，杨立新．直埋蒸汽管道技术的探讨[J]．煤气与热力，2003，23(5)：290-292．

[4]刘军．蒸汽管道的设计与安装[J]．能源研究与利用，2003(4)：41-44．

[5]李磊，王运阁．蒸汽管道保温材料性能的测定[J]．煤气与热力，2003，23(7)：410-412．

本文作者：梁震  姜林庆  邹崴  宋波

作者单位：中交煤气热力研究设计院有限公司