供熱管道直埋式波紋管補償器的研發(fā)與應用

摘 要

摘要：分析了供熱管道用普通波紋管補償器直埋時遇到的有關問題，提出了整體解決方案。從加強自身防腐、防水密封、聚乙烯外護管的伸縮等方面采取措施，完成了直埋式波紋管補償器的
摘要：分析了供熱管道用普通波紋管補償器直埋時遇到的有關問題，提出了整體解決方案。從加強自身防腐、防水密封、聚乙烯外護管的伸縮等方面采取措施，完成了直埋式波紋管補償器的研發(fā)，在工程中應用效果良好。
關鍵詞：直埋供熱管道；直埋式波紋管補償器；熱補償
Development and Application of Directly Buried Bellows Type Expansion Joint for Heating Pipeline
ZHANG Haining，ZHANG Chaohai，MA Yusheng，F(xiàn)ENG 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，秦皇島市熱電聯(lián)產集中供熱二期工程開始籌備建設，經反復論證，確定供熱管道采用有補償的直埋敷設。但是，由于市區(qū)內地下管網錯綜復雜，沒有現(xiàn)場澆筑數量眾多的補償器井室的施工條件，并且秦皇島屬沿海城市，地下水位較高(-500～-700mm)，水中氯離子含量又很高，供熱管道周圍還常常伴有城市排水管泄漏的生活污水。因此，補償器的直埋成為工程建設中的一個重要課題。
    總體上講，對補償器直埋還普遍存在著認識不足、重視不夠和做法不規(guī)范的問題。當前做法基本上是將不銹鋼波紋管補償器焊接在鋼管上以后，用聚乙烯外護管殼包裹整個補償器，再纏繞熱收縮帶密封，最后進行聚氨酯發(fā)泡保溫。其實這是一種“假直埋”的補償器安裝方式，一是現(xiàn)場處理時防水質量難以保證，熱收縮帶在地下水中浸泡幾年后就與聚乙烯外護管殼剝離而失去作用；二是當工作鋼管受熱膨脹而帶動聚氨酯保溫層和聚乙烯外護管移動時，會出現(xiàn)補償器伸縮移動處的聚氨酯保溫層、聚乙烯外護管的對擠開裂，并導致鋼管、聚氨酯保溫層、聚乙烯外護管之間相互分離[1]。
    從補償器直埋所遇到的問題看出，對用于直埋的補償器進行一種全新的、再造式的開發(fā)勢在必行。
2 補償器直埋需要解決的問題
    ① 針對秦皇島市區(qū)地下水位高的情況，如何做好現(xiàn)場管溝排水，確保每個補償器的安裝、保溫始終處在于燥的條件下；同時，施工質量又能得到可靠的保證，是首先要面對的問題。
   ② 補償器直埋于地下以后如同管道一樣，不可能隨時或經常反復地在市區(qū)街面上破路開挖進行查看。必須解決補償器在正常使用期限內維護檢修的問題[1]。
   ③ 為避免“假直埋”，應解決補償器的絕熱保溫層及其外保護層的伸縮移動問題。保溫層、外保護層的做法不能照搬預制保溫管的接頭保溫形式。
3 研發(fā)的總體技術方案
   鑒于供熱管網中的補償器直埋時存在著諸多復雜問題和困難，研發(fā)選擇從工程中使用量最大、相對簡單的軸向型補償器入手。以不銹鋼波紋管作為吸收工作鋼管熱膨脹的基本元件，采取多種技術手段，分步化解和規(guī)避不銹鋼波紋管易受水中氯離子腐蝕開裂的風險[2}；并對補償器實際運行中各種不利的受力情況加以抑制；最終開發(fā)出一種補償器與保溫層、外保護層三位一體的整體化結構。
    像預制直埋保溫管件那樣，直埋式補償器實行工廠化、標準化生產，使每個部件、各個生產步驟和中間產品在生產制造過程中都能得到有效的質量控制和監(jiān)督；產品到施工現(xiàn)場后，只需在溝槽中與預制保溫管進行鋼管焊接和保溫接頭即可。從而取消補償器井室，減少固定墩，簡化施工設計和工序，降低工程造價，達到補償器在使用期限內免維護、免檢修。
4 補償器的預制保溫一體化結構
   直埋式補償器的結構見圖1。
 

   補償器內與輸送介質(如高溫熱水)接觸、補償工作鋼管膨脹移動的是金屬波紋管，金屬波紋管采用SUS316L不銹鋼。不銹鋼波紋管與兩側的固定端管和活動端管焊接，補償器通過固定端管和活動端管連接供熱管道。
   在補償器鋼外筒的活動端板處設置柔性密封填料結構。由于工作鋼管內的介質是經過處理的氯離子含量符合要求的軟化水，不銹鋼波紋管內側受腐蝕的程度較小。不銹鋼波紋管開裂很大程度上是由于外側受到了高濃度氯離子水的侵蝕。密封結構的重要作用之一就在于阻擋外側水。
    在補償器活動端管的移動部位包裹軟質絕熱材料——超細離心玻璃棉。離心玻璃棉在補償器的設計補償量下，不得影響活動端管及兩側聚氨酯保溫層的移動。離心玻璃棉外用中堿玻璃纖維無捻粗砂布包扎后，再用鋁箔反射布均勻纏繞。離心玻璃棉包裹層的外邊是柔性橡膠波紋管，柔性橡膠波紋管與補償器的聚乙烯外護管粘接。
    在補償器的鋼外筒、固定端管、柔性密封填料結構外邊及活動端管外的離心玻璃棉右側做聚氨酯保溫層，這個聚氨酯保溫層須與熱網中預制直埋保溫管的聚氨酯保溫層同性能、同厚度。聚氨酯保溫層與補償器的端管邊沿有150～200mm的距離，以方便補償器與熱網管道連接時做接頭保溫。
    補償器的聚氨酯保溫層外面是聚乙烯外護管，其性能與熱網中預制保溫管的聚乙烯管相同。補償器鋼外筒凸出部位的聚乙烯不規(guī)則連接按照CJ/T 155—2001《高密度聚乙烯外護管聚氨酯硬質泡沫塑料預制直埋保溫管件》標準，采用熔融擠出焊，不使用熱收縮帶。
    在柔性橡膠波紋管外覆蓋聚乙烯保護殼，避免橡膠波紋管受土壓迫。聚乙烯保護殼的兩邊有擋土環(huán)，殼上加環(huán)形筋板，左擋土環(huán)與上下聚乙烯管殼實施擠出焊死固定，右擋土環(huán)為活動端。
    通過上述結構，補償器的活動部分與非活動部分結合成為一個有機的整體。當熱網管道受熱時，補償器的活動端管在柔性密封填料結構的密封下將向左滑動壓縮不銹鋼波紋管(活動端管相對于導流管向左移動)來吸收管道的膨脹量。由于活動端管與其上的聚氨酯保溫層為一體，也就帶動了聚氨酯保溫層及其上的聚乙烯外護管向左移，進而壓縮了離心玻璃棉和橡膠波紋管，聚氨酯上的聚乙烯外護管相對于右擋土環(huán)左移。當熱網管道降溫時，補償器活動端管做反向運動以補償管道的收縮量。在補償器的整個吸收、補償管道熱膨脹過程中，其鋼外筒、固定端管、柔性密封填料結構及導流管等是固定不動的。由此可見，在補償器的工作中，不銹鋼波紋管及聚氨酯保溫層、離心玻璃棉始終是被密封的。
5 關鍵性技術
   ① 鎳磷(Ni-P)化學鍍防腐處理
   鎳磷(Ni-P)化學鍍是一種先進的金屬表面防護技術，現(xiàn)已應用于汽車、宇航、化工機械等領域。它利用化學鍍工藝在金屬或非金屬表面形成一層均勻的非晶化鎳磷金屬鍍層，使基體材料與腐蝕介質隔離開，不產生晶間腐蝕和應力腐蝕，鍍層具有良好的耐點蝕、耐磨性能，且表面光滑。經測試，其鍍層的腐蝕速度遠低于不銹鋼。
    對不銹鋼波紋管進行鎳磷表面化學鍍防腐處理，以增強其自身的耐腐蝕性。對補償器活動端管的伸縮部位外表面也進行這樣的處理，避免一旦地下水進入熱網管道保溫層，對活動端管造成腐蝕，影響柔性密封結構的密封性能；同時，減小活動端管的摩擦阻力。
    處理后的主要性能指標達到：鍍層厚度為50μm，基體結合強度為300～400MPa，硬度為HV500以上。
   ② 柔性密封填料結構
   對柔性密封填料結構，通過注填密封填料來保證補償器活動端板與活動端管之間的密閉性。一般情況下，補償器所處的地下水壓力并不高，正常使用年限內，密封結構能夠阻止地下水滲入而無須加注填料。但要求密封結構在設計條件下，具備獨立的工作能力，結構耐溫200℃，耐壓1.6MPa，以承受不銹鋼波紋管意外開裂時高溫介質的溫度和壓力。為此，在密封結構上安裝了具有注填止回功能和防水壓蓋裝置的注填閥，達到填料壓力穩(wěn)定不泄漏、注填孔螺紋不銹蝕。
    為檢驗鋼外筒的承壓和密封結構的密閉性能，在鋼外筒內做1.5倍設計壓力的水壓試驗，水壓試驗孔在試壓后封堵。這樣，密封結構既阻止了不銹鋼波紋管一旦出現(xiàn)開裂，工作鋼管內的介質向補償器外的泄漏；又抵御住了外面的水滲入補償器腐蝕不銹鋼波紋管，起到了對內、對外的雙重保護功能。外面水對補償器的滲入包括地下水對補償器保溫層的滲入，還有直埋管道的聚乙烯外護管和接頭破損后地下水沿管道保溫層的“竄水”。
   ③ 柔性橡膠波紋管
   為了吸收補償器聚乙烯外護管的位移量，經分析比較，采用了柔性橡膠波紋管。橡膠波紋管材質為三元乙丙(EPDM)，EPDM是一種乙烯和丙烯的共聚體，有著優(yōu)異的耐候性、耐老化性、耐化學性、耐水蒸氣、耐酸堿、抗沖擊等特點，使用溫度范圍為-50～150℃。
    像制造不銹鋼波紋管那樣，根據工作位移量和聚乙烯外護管的外徑進行各種規(guī)格橡膠波紋管開模。成品橡膠波紋管的性能指標為：扯斷強度≥15MPa，扯斷伸長率≥500%，壓縮永久變形率≤15%。
   ④ 塑膠粘結技術
   橡膠波紋管與聚乙烯外護管的可靠粘結是確保整個補償器防水的重要環(huán)節(jié)。地下水壓力不高，但滲透性很強，而三元乙丙(EPDM)的自粘性和互粘性卻不強。
    針對三元乙丙與聚乙烯的粘結問題專門研制了復合型塑膠粘結劑。經多次抗拉和耐溫等試驗檢測，粘結劑性能穩(wěn)定，粘結強度大于12MPa，耐溫范圍為-30～120℃。
   ⑤ 扭矩失穩(wěn)限制器
   按照研發(fā)的總體技術方案要求，需要消除不銹鋼波紋管及鋼外筒等部件受到其他因素影響時可能產生的事故隱患，最大限度地提高補償器的運行穩(wěn)定性。
    供熱管道所采用的螺旋縫鋼管或無縫鋼管中存在著殘余應力的作用，隨著管道介質溫度的逐漸變化，會對補償器產生扭轉力矩；管道安裝過程中易出現(xiàn)偏差，使補償器不僅受軸向力，也會產生額外的扭矩和徑向力。
    為此，在補償器內部的端板和鋼外筒的地方(未設置在導流管上是出于對其結構形式的考慮)，設計了獨特的扭矩失穩(wěn)限制器，并對鋼外筒、端板等做了配套的加強。扭矩失穩(wěn)限制器的過載扭矩、徑向力設定值大于設計補償段產生的最大力矩、徑向力，能夠避免不銹鋼波紋管的扭曲變形和補償器的徑向失穩(wěn)。
   ⑥ 無固定技術
   工作鋼管內流體介質的內壓推力(俗稱盲板力)是客觀存在的，不因為采用何種形式的補償器而消失。補償器鋼外筒的端板、不銹鋼波紋管等也均有盲板力。
    通過設置內固定結構，使盲板力作用在內固定結構上，而不是管道的固定支墩上3，可減小支墩的受力和尺寸，甚至在一些地方可以不設固定支墩。比如：改變了以往兩個固定支墩之間只能安裝一個補償器的做法一；取消了兩個補償器之間、補償器與彎頭等自然補償點之間、處于駐點(管段中位移量為零的點)位置的次固定支墩，這就是所謂的無固定技術。
   無固定技術必須與扭矩失穩(wěn)限制器配合起來使用，兩者的配合應用，可大大簡化施工設計，降低施工造價。
   ⑦ 小結
   a.通過對不銹鋼波紋管這一重要部件從內到外的三重防腐止水保護(鎳磷化學鍍防腐處理、柔性密封填料結構、柔性橡膠波紋管)，并采取限扭矩抗失穩(wěn)、無固定技術等一系列措施，實現(xiàn)了最初確定的總體技術要求。
   b. 補償器在穩(wěn)定地吸收供熱管道熱膨脹量的情況下，達到了內部介質向外泄漏為零、地下水向補償器內滲透亦為零的技術指標。
6 實際應用及效果
    經過兩年研究試驗，直埋式補償器于2005年開始在工程中應用，當年投產。截至2010年底，共安裝DN 200～1200mm的各種規(guī)格補償器870余個，并全部投入使用，最早的已穩(wěn)定運行6年。
    經工程測算，使用直埋式補償器比安裝普通波紋管補償器并澆筑井室節(jié)約造價35％一40%，而且方便了施工，加快了工程進度，避免了補償器運行中的泄漏風險。該產品尤其適合于地下水位較高的沿海地區(qū)。
參考文獻：
[1] 王緒茂.供熱直埋管道中的金屬波紋膨脹節(jié)[J].暖通空調，1997，27(5)：64-66.
[2] 楊帆，孫智，馬景濤，等.供熱管道波紋管補償器的腐蝕失效[J].煤氣與熱力，2005，25(6)：13-16.
[3] 劉敏.供熱管道固定支墩的設計[J].煤氣與熱力，2004.24(2)：91-93.
 
(本文作者：張海寧 張潮海 馬玉生 馮亞軍 秦皇島市熱力總公司 河北秦皇島 066000)