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螺旋钢管应用:预制蒸汽直埋保温管道的技术进步与展望

作者:元成钢管 点击数: 更新时间:2012年12月02
Tags:螺旋钢管
一、历程
  随着我国国民经济的总拉动,基本建设向基础设施项目倾斜,我国近年来区域供热、集中供热、冷暖热“三联供”的发展,蒸汽直埋管道逐渐增多,投资额和里程数突飞猛涨。据不完全统计,现每年蒸汽直埋管道项目投资额已超过地25000万元以上,数百近千公里之长。管径已超过DN600,有的单位已达DN700-DN800之规。全国城镇供热协会及分部,中国机电工程学会热电专委会分别组织了多次蒸汽直埋管或以其为主的专题研讨会(北京、庐山、五夷山、福州、重庆、宁波、上海、三亚等会议)并出论文集。[8-15]
  2000年5月由中国城镇供热协会技术委员会主持,大连市供热协会协办,召开了“全国第一届直埋蒸汽管道技术研究会”,参加会议代表260多人,并出版了“全国直埋蒸汽管道技术研讨会论文选集”[16]刊出70余篇专论。第一次全国范围广泛研讨和交流,反映十分强烈。在全国城镇供热协会理事长李秀的倡导下,拟组织力量(大连、北京、上海、天津……)编写蒸汽直埋管道产品技术标准和技术规程事宜,由建研院标准化所申报建设部。
  次后山东省热力协会又于2000年9月在大连再次召开了山东省以蒸汽直埋管道技术为主的年会,并出版专刊“直埋管道技术研讨会论文集”收集论文30余篇[17]。 2001年11月中国热电专委员会在开封专门召开了“预制保温管直埋敷设学术研讨会”[18]并出版论文集发表新论文27篇,集出达40篇专著。2002年5月中国城镇供热协会技委会,中国工程标准化城镇供热委员会,大连市供热协会又召开第二次全国直埋蒸汽管道技术研究会,更为热烈,又出新论文集。
  各个学会、协会的有力组织,极大地推动了我国蒸汽直埋管道技术的发展。一些著名高校、研究院所积极参入。
  随着我国经济腾飞,西部大开发,建设现代化城市,我国一些设计研究院更是大力投入蒸汽直埋管道工程设计工作。最为直接地还是国内极广大的建设单位——他们在物力、人力、财力投注最大,探索和累积的经验最多。大连热电集团、天津热电总公司、洛阳热力公司、邢台煤气热力总公司、宝钢、邯钢、广州、无锡、宁波、杭州、驻马店、青岛热电总公司、银川热电公司、郑州热力总公司、宝鸡、西安遍布全国的热力系统等世行贷款、亚行贷款,国家重点工程,省市重点工程都为我国蒸汽直埋管作出了巨大的贡献。
  建设部正式下文[2000]197号批准《建设部二○○○年第一批工业产品国家标准行业准则、修订项目计划》拟制订《城镇供热蒸汽直埋管技术条件》产品标准。
  建标[2000]284号文,建设部又正式下文批准编写《城镇供热蒸汽直埋管技术规程》行业标准,由大连热电集团、大连供热办承担,大连科华热力管道有限公司、大连热力设计院、中国市政华北设计院、上海金山石化院、中国石油天然气总公司技术研究院、大连理工大学等,共同撰写我国行业标准,这也可能是世界上第一部幅员广阔,面对各种不同用户(工业用、民用、商用)应用最广,型式最多样化(钢套钢、塑套钢、玻璃钢或钢、玻璃钢复合套钢、复合保温、多屏(反射)保温、内滑动、外滑动、导管式滑动;单一、二PE、三PE及多重复合防腐;内固定、外固定、内外(位移)固定;上疏水、下疏水以及单面、双端面密封、隔断、节点处理……)的预制蒸汽直埋管道技术规程。
二、我国蒸汽直埋管道技术的进步
  二十年来,我国预制蒸汽直埋管道技术,在广大科技人员、领导、工人共同努力下,进行了广泛的科学实践,不断地从失败和经验教训中汲取营养,丰富和提高自己。特别是对外开放,近些年国家、协会多次派员出国考查,学习国外先进技术,引进先进设计和设备,先进科学管理,以及体制改革。使我国在短短的不到二十年,特别近五年发生质的飞跃,蒸汽直埋管道从数量上、规模上、品种上以及技术水平、理论研究等都取得为世人骄傲的进步,某些方面已达到世界先进水平或领先。先后被评为国家级新产品、重点推广产品3项,获中国发明历届博览会金奖,省市奖达15项之多。
  1、绝热(保温)材料
  我国自选研发或采用了多种新型有特色的绝热材料,超轻质硅酸钙(1990年),复合铝镁硅酸盐(1993年),体相全憎水复合硅酸盐(1996),整筒式憎水珍珠岩管(1997年)。随着开放,国外产品大量进入中国市场,矿(岩)棉、玻璃棉保温制品在北京、上海、广州、长春先后落户。1998年美国Owens
  Corning公司超细离心玻璃棉(包括预制小管径管壳)就在我国蒸汽直埋管中应用,2000年大面积推广,获良好效果。耐高温硅酸铝纤维也在直埋蒸汽管或管件预制中应用(1997年)。
  聚氨酯材料,特别是耐高温(≥140℃)聚氨酯保温材料的原料,我国已深入研究,生产并有部分出口;我国也大量引进Bayer、BASF耐140℃高温的聚氨酯料做蒸汽直埋管复合保温的组成部分,使产品寿命可达25年之久。
  2、保温(绝热)结构
  地域宽广的我国,市场极大,数以百计的生产、研究、设计单位研发了型式多样,材料各异,性能不同几乎世界上应有尽有的各种保温结构。塑套钢(1993)、玻璃钢套钢(1993)、钢套钢(1994);内滑动(1993)、外滑动(1994)、空气层(1995)、导管式(1999)、抽真空(1999),并在我国实际工程中历经8年之多的考验,其性能、优劣、特点、水平基本清楚。有些保温结构、性能/价格比高,制作工艺简便,已达世界水平。多屏(反射)保温结构,绝热性能更大的优于硅钙瓦——聚氨酯复合保温,特别是多屏(反射)玻纤铝箔结构,其性能仅亚于高抽真空保温,比一般抽低真空要好,其基本造价、安全可靠性,都大大优于其它型式保温,也是国际上先进技术,其产品多次获国际金奖——英国伦敦世界专利博览会金奖、日内瓦国际专利博览会金奖(大连科华)。
  3、防腐材料及技术
  近年来国际新研究开发的对于直埋管钢外护管的防腐,已引进多条生产线和材料及主机,使我国的防腐水平显著提高。五十年代起用的石油沥青或稍后的环氧煤沥青,已逐渐被国内自己开发的TO多功能树脂,熔融环氧粉末(喷涂)替代(1997年上海浦东机场已规模应用——凯华)、二PE新工艺和材料1998年新疆多处使用[19]。高PU聚氨酯防腐(1999)、钢/玻璃钢(三维)短切玻纤与网格布交替复合防腐,使其各向均性更好地防水防腐也在我国实施(2002);三PE多防腐已在石油管道使用(1998)现已写也蒸汽直埋管道技术规程(草稿)之中,引进美国聚脲高性能防腐涂料和技术也在工程上推广(2001)、台湾独资企业高PU防腐已在少量管件上试用。
  阴极保护防腐技术,在我国许多工程应用[20];采用缠绕式和套复PE(挤出)防腐方式[21],也都获得较好的效果。
  4、管件
  我国许多较大的蒸汽直埋管生产厂,经历了十余年的工程实践,能设计、制作一般规格管件。推制三通(1996)、大曲率半径弯头(1997)、加长补偿器(1996)、专用疏水节(1996)、固定架(支座)(1997)、阀门井室件(2000)……其技术、结构、应力、保温计算或一些专有技术已达世界先进国家行列。工厂化、预制化的管件制作对产品质量保证,现场安装十分方便。
  5、滑动支架及内固定支架(座)
  随着我国蒸汽直埋管的开发,这方面有着惊人的进步。最新研究成果“直埋式保温热力管道内外(位移)固定支座”专利[7],该项技术较全面的解决了力的传递,冷(热)桥、热损失,以及隔断密封,外壳防水防腐、热位移,制作工艺加工及外部施工躲障等系统问题。工程应用详见北京市建筑工程质量测试中心分析报告:
  300℃介质温度下,φ426工作管道,绝热保温离心玻璃棉TIWⅡ-140mm多层反射铝箔屏蔽,外表面温度仅30.4℃(9点平均值)、热流损失84.7W/m2,综合导热系数λ300=0.060W/m℃效果良好。(与德国FW-远程输送技术股份有限公司的抽真空3mbar接近。注:两者测试方法不同)。
  6、接口(补口)技术
  管道对焊接外套钢管时采用耐高温的硅酸铝纤维毡进行保护,选用阻燃性能良好的TIWⅡ离心玻璃纤维,更不怕电汽焊渣以及弧光损坏。
  为减少现场补口焊接数量,采用了滑移外套管壳,对接焊或搭焊方法,内套袖推拉结构焊接[26]。可见我国现场接(补)口技术是比较全面的,有其特点和先进性。
  7、管道端面密封技术
  内管、外管或穿墙套管实施密封,单端面、双端面密封防水处理技术已替代过去止水带、油麻密封,井室阀门前管道单端密封也可采用,用环氧粉末喷涂防腐更保证安全使用寿命上千次伸缩不破坏,达国际先进水平[28]。
  8、疏水(节)技术
  上海金山石化设计院为我国蒸汽直埋管道疏排凝结水作了先导性工作[31]。随着地域冷暖地带不同,又出现北方地下井、华东地平井、南方地上不同型式,并有的加设冷却装置,使之凝结水排出二次蒸化减少。自动疏排凝水节约大量劳动力和防范了事故发生。
  9、管道补偿
  这方面我国已在深入研究、工程实践的基础上,使供热管道的设计和选材、安装达到一个新水平。7000次应力循环技术要求[32],达世界1级化工管道技术水准,为直埋管道最薄弱环节加强了措施,大曲率半径弯头的自然补偿又是许多设计单位优先选取的方式[33],补偿器计算富裕量10-15%已被众多单位采纳实施[34]。
  采用平衡式、半平衡式无推力补偿器在许多管道系统应用[36、37],大大降低外固定墩推力或造价。我国蒸汽直埋式内压、外压、平衡式补偿器制造商上百家,申请专利多达近百余项,技术开发已由军品扩向民品,走在世界先进行列中。
  10、管线分段隔断技术
  我国较长管道系统中,根据地形和分支线需要增设中间隔断板。划长管道为多个短管路技术,已在1997年申请我国的专利并获批准[38],若干个封闭的保温管段,实施分域检查、防止全线“窜通”事故发生,效果明显[39]。其后又与管道中的排潮管联系使用,进行保温外套的系统密封实验。
  11、理论研究
  “三通受力分析与计算的简化方法”[41]、“固定墩用于保护弯头优化设计”[42]、“玻璃钢外壳管椭圆效应研究”[43];“蒸汽管道稳态传热的边界之模型及积分方程”[44]、“直埋蒸汽管道瞬态导热问题的边界方法分析与应用”[45]、“供热管道保温结构散热损失与保温效果测试评定方法”[47]更为我国直埋蒸汽管道技术的发展作出新的贡献,保温结构评定提供科学依据。
三、抽真空“钢套钢”蒸汽直埋管技术和多屏(反射)保温技术
  1、随着我国集中供热规模不断扩大,预制直埋式蒸汽保温管道新技术近年得到快速发展
  国外80年代出现了在内外钢套管之间抽除空气或湿气,运行充氮(1/3bai)已在美国Pipe comduil公司应用[47],德国是在90年代较大区域采用,并有技术发展和进步。
  (1)2000年天津桑莱特节能材料有限公司与德国“FW-运行输送技术股份有限公司”技术合作引进“钢套钢外滑动(滚动型)-抽真空”保温结构技术[48],并在广州进行了小规模的工程试验。
  (2)北京豪特耐集中供热设备有限公司2001年12月又与德国汉诺威工程咨询事务所签署了技术合作协议,引进该事务所真空“钢套钢”外滑动直埋蒸汽管道系统全套技术[49]。
  对于“钢套钢”直埋蒸汽管道,采用真空系统比非真空系统可以降低热损失约40%,管道表面温度可降低11℃左右。根据计算,采用真空系统的管网,运行30年降低的热损失所节约的资金,可以回收管网的全部初投资。
  2、多屏(反射)保温
  此技术国外发展也很快,在核电站的设备和管道应用,1995年英国首先在热力工程上应用。60年代初前苏联在600-800℃燃气轮机上使用。现已在火电、化工、石油、食品等工业中应用[52]。为降低造价,充分挖掘纤维材料的潜能,能一步降低对流传热的空间距离,选用传导热系统极小的玻璃纤维材料组合,获得良好的效果。大连科华热力管道公司的工作给我们提供有益的启迪。
  多屏(反射)复合保温结构,随着实验的深入,特别是新材料(纳米)超级绝热材料引入,绝热效果会发生新变化。现已有将气凝胶SiO2引进增强绝热,使对流传热大幅度降低,多屏金属材料的反射,界面材料的改性使热辐射反射,散射和吸收降为最低。新材料新技术发展将带给我们新的概念,新的发展。
四、展望
  从1882年美国创建世界上第一个集中供热的纽约公司以来,120多年世界发生了翻天覆地变化。进入二十一世纪的今天,技术进步已差不多每隔3-5年一个浪潮(里程)。高新技术计算机时代,微电子、现代通讯、信息技术日新月异,而资源、能源日趋枯竭,环境污染日渐加重。保护环境,节约能源,回归自然,维持生态平衡是世界各国共愿。我国科技发展战略要求我们“根据我国国力,对准节能,改善人居环境重大价值的关键技术,精心研究开发,引进技术消化吸收,开创我国自己的高新技术产业。”蒸汽直埋管道技术,必将在新形势下迈出更坚实的步伐。
  1、“城镇供热直埋蒸汽管道技术规程”和“城镇供热直埋蒸汽管道产品技术条件”等行业标准的推出(征求意见稿)将会对日渐成熟而方兴未艾的全国蒸汽直埋管道工程实施建设和技术发展,超催化加速作用。一个新的建设浪潮将不久涌现。我国的外网节能事业将腾飞发展。随着科学发展,工程实践,“规程”、“技术条件”将会进一步修正和提高。
  2、蒸汽直埋管道技术,随着国内科研、设计、生产、建设规模的发展,技术不断进步,奔向世界的前沿。
  (1)保温材料和新结构将进一步开发、研制、性能高,价格适宜,使用奉命更长,工艺更科学的新产品将不断面世。多屏反射保温材料(结构),含纳米新材料复合保温新型式[47],将随着时间飞跃而层出不穷的涌现。高真空系统也将日趋完善。
  (2)新防腐材料和技术发展
  我国还创新出“柔性近阳极技术”、“高土壤电阻率区域浅埋阳极长效降阻技术”、“带状镁阳极间隔敷设技术”。上述技术尚未见国外报告[54],这些都是我们城镇供热,蒸汽直埋管道敷设可学习参考的。而我国DN1200玻璃钢热水管道的试用和接口技术[55]、钢塑(或玻璃钢)复合外护防腐层技术[56]、钢/玻璃钢(三维)纤维切喷射防腐工艺技术[57]也将发挥作用。纽科聚脲(Nukote Polyurea)外防腐涂层技术[58]、高膜厚PU防腐技术[59]都将对我国蒸汽直埋管道的外防腐事业作出新贡献,一个更高水准、长寿命的直埋蒸汽管道防腐技术将展现在世界的东方。
  (3)自动检测、安全生产技术及可靠性分析、预测技术
  自然条件或人为性破坏管道发生事故是难以避免的。随着生产使用年限的延长,管道及管件日趋老化,事故率将逐年提高。如何强化隐患治理,防范重点、大事故的措施,迫于我们面前;研究自动检测、巡检、监测技术,包括仪器、设备的开发;管道失效机理及判断准则;管道制造生产、安装、运行缺陷的识别、判断技术;以及管线使用后剩余强度评定方法、剩余寿命评估预测方法,急待我们开发,加强这些基础工作[60]。
  (4)蒸汽直埋管道技术理论的研究
  管道设计理论,安装运行的技术要求,提高管道的安全使用寿命,这都要求我们更深入的开展蒸汽直埋管道理论研究管道受力计算和应力分析、材料弹性和弹塑性研究,特别是埋地状态、冲击载荷作用下,管道的静力、动力屈曲(弹性屈曲、塑性屈曲、弹塑性屈曲)[61],管系的刚度、挠度稳定性的研究[62];玻璃钢外护管和复合材料成的外护管[63]更急切需要我们组织院校、科研、建设单位协力合作,加大科研力度,进行理论和实验探讨,摸清基本规律,不断修正错误,指导生产实践,创出中国的蒸汽直埋管道高新技术产业和理论研究群体。
  3、整顿建筑市场,贯彻质量法,蒸汽直埋管道事业更上一层楼。环保和“十五”节能规划对集中供热,蒸汽直埋管道技术提出更高要求,管网输送效率从目前的0.85提高到0.9[64]。指标明确,采用高效节能或环保型保温新材料、新结构、新技术、新工艺是实现目标关键所在之一。进一步加强产业化的技术研究,系统工程设计基础数据集整,解决目前行业尚存在研究、设计、生产、材料、施工、运行、检测、信息管理诸多问题十分重要。贯彻“中华人民共和国产品质量法”[65]加强建筑市场的科学、法制管理[66],行业推行统规、统标,扬优淘劣,剔伪除假,蒸汽直埋保温管事业将会获重大动力,在国家、部、省、协会等统一领导下会蒸蒸日上,健康发展,展现在祖国大地。 

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