供热管道直埋式波纹管补偿器的研发与应用

摘 要

摘要：分析了供热管道用普通波纹管补偿器直埋时遇到的有关问题，提出了整体解决方案。从加强自身防腐、防水密封、聚乙烯外护管的伸缩等方面采取措施，完成了直埋式波纹管补偿器的
摘要：分析了供热管道用普通波纹管补偿器直埋时遇到的有关问题，提出了整体解决方案。从加强自身防腐、防水密封、聚乙烯外护管的伸缩等方面采取措施，完成了直埋式波纹管补偿器的研发，在工程中应用效果良好。
关键词：直埋供热管道；直埋式波纹管补偿器；热补偿
Development and Application of Directly Buried Bellows Type Expansion Joint for Heating Pipeline
ZHANG Haining，ZHANG Chaohai，MA Yusheng，FENG Yajun
Abstract：Some problems encountered in direct installation of common bellows type expansion joints for heating pipeline are analyzed，and the total solution scheme is proposed.The development of directly buried bellows type expansion joints is achieved by taking measures in terms of strengthening their own anticorrosion，Waterproof sealing，expansion and contraetion of PE outer protection pipe and so on.A good application result in the engineering is obtained.
Key words：directly buried heating pipeline；directly buried bellows type expansion joint；compensation of thermal expansion
1 概述
    2003年，秦皇岛市热电联产集中供热二期工程开始筹备建设，经反复论证，确定供热管道采用有补偿的直埋敷设。但是，由于市区内地下管网错综复杂，没有现场浇筑数量众多的补偿器井室的施工条件，并且秦皇岛属沿海城市，地下水位较高(-500～-700mm)，水中氯离子含量又很高，供热管道周围还常常伴有城市排水管泄漏的生活污水。因此，补偿器的直埋成为工程建设中的一个重要课题。
    总体上讲，对补偿器直埋还普遍存在着认识不足、重视不够和做法不规范的问题。当前做法基本上是将不锈钢波纹管补偿器焊接在钢管上以后，用聚乙烯外护管壳包裹整个补偿器，再缠绕热收缩带密封，最后进行聚氨酯发泡保温。其实这是一种“假直埋”的补偿器安装方式，一是现场处理时防水质量难以保证，热收缩带在地下水中浸泡几年后就与聚乙烯外护管壳剥离而失去作用；二是当工作钢管受热膨胀而带动聚氨酯保温层和聚乙烯外护管移动时，会出现补偿器伸缩移动处的聚氨酯保温层、聚乙烯外护管的对挤开裂，并导致钢管、聚氨酯保温层、聚乙烯外护管之间相互分离[1]。
    从补偿器直埋所遇到的问题看出，对用于直埋的补偿器进行一种全新的、再造式的开发势在必行。
2 补偿器直埋需要解决的问题
    ① 针对秦皇岛市区地下水位高的情况，如何做好现场管沟排水，确保每个补偿器的安装、保温始终处在于燥的条件下；同时，施工质量又能得到可靠的保证，是首先要面对的问题。
   ② 补偿器直埋于地下以后如同管道一样，不可能随时或经常反复地在市区街面上破路开挖进行查看。必须解决补偿器在正常使用期限内维护检修的问题[1]。
   ③ 为避免“假直埋”，应解决补偿器的绝热保温层及其外保护层的伸缩移动问题。保温层、外保护层的做法不能照搬预制保温管的接头保温形式。
3 研发的总体技术方案
   鉴于供热管网中的补偿器直埋时存在着诸多复杂问题和困难，研发选择从工程中使用量最大、相对简单的轴向型补偿器入手。以不锈钢波纹管作为吸收工作钢管热膨胀的基本元件，采取多种技术手段，分步化解和规避不锈钢波纹管易受水中氯离子腐蚀开裂的风险[2}；并对补偿器实际运行中各种不利的受力情况加以抑制；最终开发出一种补偿器与保温层、外保护层三位一体的整体化结构。
    像预制直埋保温管件那样，直埋式补偿器实行工厂化、标准化生产，使每个部件、各个生产步骤和中间产品在生产制造过程中都能得到有效的质量控制和监督；产品到施工现场后，只需在沟槽中与预制保温管进行钢管焊接和保温接头即可。从而取消补偿器井室，减少固定墩，简化施工设计和工序，降低工程造价，达到补偿器在使用期限内免维护、免检修。
4 补偿器的预制保温一体化结构
   直埋式补偿器的结构见图1。
 

   补偿器内与输送介质(如高温热水)接触、补偿工作钢管膨胀移动的是金属波纹管，金属波纹管采用SUS316L不锈钢。不锈钢波纹管与两侧的固定端管和活动端管焊接，补偿器通过固定端管和活动端管连接供热管道。
   在补偿器钢外筒的活动端板处设置柔性密封填料结构。由于工作钢管内的介质是经过处理的氯离子含量符合要求的软化水，不锈钢波纹管内侧受腐蚀的程度较小。不锈钢波纹管开裂很大程度上是由于外侧受到了高浓度氯离子水的侵蚀。密封结构的重要作用之一就在于阻挡外侧水。
    在补偿器活动端管的移动部位包裹软质绝热材料——超细离心玻璃棉。离心玻璃棉在补偿器的设计补偿量下，不得影响活动端管及两侧聚氨酯保温层的移动。离心玻璃棉外用中碱玻璃纤维无捻粗砂布包扎后，再用铝箔反射布均匀缠绕。离心玻璃棉包裹层的外边是柔性橡胶波纹管，柔性橡胶波纹管与补偿器的聚乙烯外护管粘接。
    在补偿器的钢外筒、固定端管、柔性密封填料结构外边及活动端管外的离心玻璃棉右侧做聚氨酯保温层，这个聚氨酯保温层须与热网中预制直埋保温管的聚氨酯保温层同性能、同厚度。聚氨酯保温层与补偿器的端管边沿有150～200mm的距离，以方便补偿器与热网管道连接时做接头保温。
    补偿器的聚氨酯保温层外面是聚乙烯外护管，其性能与热网中预制保温管的聚乙烯管相同。补偿器钢外筒凸出部位的聚乙烯不规则连接按照CJ/T 155—2001《高密度聚乙烯外护管聚氨酯硬质泡沫塑料预制直埋保温管件》标准，采用熔融挤出焊，不使用热收缩带。
    在柔性橡胶波纹管外覆盖聚乙烯保护壳，避免橡胶波纹管受土压迫。聚乙烯保护壳的两边有挡土环，壳上加环形筋板，左挡土环与上下聚乙烯管壳实施挤出焊死固定，右挡土环为活动端。
    通过上述结构，补偿器的活动部分与非活动部分结合成为一个有机的整体。当热网管道受热时，补偿器的活动端管在柔性密封填料结构的密封下将向左滑动压缩不锈钢波纹管(活动端管相对于导流管向左移动)来吸收管道的膨胀量。由于活动端管与其上的聚氨酯保温层为一体，也就带动了聚氨酯保温层及其上的聚乙烯外护管向左移，进而压缩了离心玻璃棉和橡胶波纹管，聚氨酯上的聚乙烯外护管相对于右挡土环左移。当热网管道降温时，补偿器活动端管做反向运动以补偿管道的收缩量。在补偿器的整个吸收、补偿管道热膨胀过程中，其钢外筒、固定端管、柔性密封填料结构及导流管等是固定不动的。由此可见，在补偿器的工作中，不锈钢波纹管及聚氨酯保温层、离心玻璃棉始终是被密封的。
5 关键性技术
   ① 镍磷(Ni-P)化学镀防腐处理
   镍磷(Ni-P)化学镀是一种先进的金属表面防护技术，现已应用于汽车、宇航、化工机械等领域。它利用化学镀工艺在金属或非金属表面形成一层均匀的非晶化镍磷金属镀层，使基体材料与腐蚀介质隔离开，不产生晶间腐蚀和应力腐蚀，镀层具有良好的耐点蚀、耐磨性能，且表面光滑。经测试，其镀层的腐蚀速度远低于不锈钢。
    对不锈钢波纹管进行镍磷表面化学镀防腐处理，以增强其自身的耐腐蚀性。对补偿器活动端管的伸缩部位外表面也进行这样的处理，避免一旦地下水进入热网管道保温层，对活动端管造成腐蚀，影响柔性密封结构的密封性能；同时，减小活动端管的摩擦阻力。
    处理后的主要性能指标达到：镀层厚度为50μm，基体结合强度为300～400MPa，硬度为HV500以上。
   ② 柔性密封填料结构
   对柔性密封填料结构，通过注填密封填料来保证补偿器活动端板与活动端管之间的密闭性。一般情况下，补偿器所处的地下水压力并不高，正常使用年限内，密封结构能够阻止地下水渗入而无须加注填料。但要求密封结构在设计条件下，具备独立的工作能力，结构耐温200℃，耐压1.6MPa，以承受不锈钢波纹管意外开裂时高温介质的温度和压力。为此，在密封结构上安装了具有注填止回功能和防水压盖装置的注填阀，达到填料压力稳定不泄漏、注填孔螺纹不锈蚀。
    为检验钢外筒的承压和密封结构的密闭性能，在钢外筒内做1.5倍设计压力的水压试验，水压试验孔在试压后封堵。这样，密封结构既阻止了不锈钢波纹管一旦出现开裂，工作钢管内的介质向补偿器外的泄漏；又抵御住了外面的水渗入补偿器腐蚀不锈钢波纹管，起到了对内、对外的双重保护功能。外面水对补偿器的渗入包括地下水对补偿器保温层的渗入，还有直埋管道的聚乙烯外护管和接头破损后地下水沿管道保温层的“窜水”。
   ③ 柔性橡胶波纹管
   为了吸收补偿器聚乙烯外护管的位移量，经分析比较，采用了柔性橡胶波纹管。橡胶波纹管材质为三元乙丙(EPDM)，EPDM是一种乙烯和丙烯的共聚体，有着优异的耐候性、耐老化性、耐化学性、耐水蒸气、耐酸碱、抗冲击等特点，使用温度范围为-50～150℃。
    像制造不锈钢波纹管那样，根据工作位移量和聚乙烯外护管的外径进行各种规格橡胶波纹管开模。成品橡胶波纹管的性能指标为：扯断强度≥15MPa，扯断伸长率≥500%，压缩永久变形率≤15%。
   ④ 塑胶粘结技术
   橡胶波纹管与聚乙烯外护管的可靠粘结是确保整个补偿器防水的重要环节。地下水压力不高，但渗透性很强，而三元乙丙(EPDM)的自粘性和互粘性却不强。
    针对三元乙丙与聚乙烯的粘结问题专门研制了复合型塑胶粘结剂。经多次抗拉和耐温等试验检测，粘结剂性能稳定，粘结强度大于12MPa，耐温范围为-30～120℃。
   ⑤ 扭矩失稳限制器
   按照研发的总体技术方案要求，需要消除不锈钢波纹管及钢外筒等部件受到其他因素影响时可能产生的事故隐患，最大限度地提高补偿器的运行稳定性。
    供热管道所采用的螺旋缝钢管或无缝钢管中存在着残余应力的作用，随着管道介质温度的逐渐变化，会对补偿器产生扭转力矩；管道安装过程中易出现偏差，使补偿器不仅受轴向力，也会产生额外的扭矩和径向力。
    为此，在补偿器内部的端板和钢外筒的地方(未设置在导流管上是出于对其结构形式的考虑)，设计了独特的扭矩失稳限制器，并对钢外筒、端板等做了配套的加强。扭矩失稳限制器的过载扭矩、径向力设定值大于设计补偿段产生的最大力矩、径向力，能够避免不锈钢波纹管的扭曲变形和补偿器的径向失稳。
   ⑥ 无固定技术
   工作钢管内流体介质的内压推力(俗称盲板力)是客观存在的，不因为采用何种形式的补偿器而消失。补偿器钢外筒的端板、不锈钢波纹管等也均有盲板力。
    通过设置内固定结构，使盲板力作用在内固定结构上，而不是管道的固定支墩上3，可减小支墩的受力和尺寸，甚至在一些地方可以不设固定支墩。比如：改变了以往两个固定支墩之间只能安装一个补偿器的做法一；取消了两个补偿器之间、补偿器与弯头等自然补偿点之间、处于驻点(管段中位移量为零的点)位置的次固定支墩，这就是所谓的无固定技术。
   无固定技术必须与扭矩失稳限制器配合起来使用，两者的配合应用，可大大简化施工设计，降低施工造价。
   ⑦ 小结
   a.通过对不锈钢波纹管这一重要部件从内到外的三重防腐止水保护(镍磷化学镀防腐处理、柔性密封填料结构、柔性橡胶波纹管)，并采取限扭矩抗失稳、无固定技术等一系列措施，实现了最初确定的总体技术要求。
   b. 补偿器在稳定地吸收供热管道热膨胀量的情况下，达到了内部介质向外泄漏为零、地下水向补偿器内渗透亦为零的技术指标。
6 实际应用及效果
    经过两年研究试验，直埋式补偿器于2005年开始在工程中应用，当年投产。截至2010年底，共安装DN 200～1200mm的各种规格补偿器870余个，并全部投入使用，最早的已稳定运行6年。
    经工程测算，使用直埋式补偿器比安装普通波纹管补偿器并浇筑井室节约造价35％一40%，而且方便了施工，加快了工程进度，避免了补偿器运行中的泄漏风险。该产品尤其适合于地下水位较高的沿海地区。
参考文献：
[1] 王绪茂.供热直埋管道中的金属波纹膨胀节[J].暖通空调，1997，27(5)：64-66.
[2] 杨帆，孙智，马景涛，等.供热管道波纹管补偿器的腐蚀失效[J].煤气与热力，2005，25(6)：13-16.
[3] 刘敏.供热管道固定支墩的设计[J].煤气与热力，2004.24(2)：91-93.
 
(本文作者：张海宁 张潮海 马玉生 冯亚军 秦皇岛市热力总公司 河北秦皇岛 066000)