蒸汽直埋管道应特别注意的两个问题

[摘要]
分析了蒸汽直埋管道中安装的波纹膨胀节所受扭矩的产生原因，介绍了一种抗扭矩的波纹膨胀节结构。规定了直埋用单向波纹膨胀节的仲缩方向、介质流向和固定支架之间的关系并定义了单正波纹膨胀节和单反波纹膨胀节。从而增强了蒸汽直埋管道的运行安全可靠性，避免了直埋用单向波纹膨胀节在制造、安装、管道设计等环节的不协调状况。
一、前 言
由于蒸汽管道直埋敷设(以下简称蒸汽直埋管道)同传统的架空敷设、地沟敷设比较以其 热损失小，节能效果显著，不影响城市市容市貌，不占用地表面，有利于城市规划建设等诸多优势，得到了很大发展。以大连市为例，1996年，1997年两年建设的蒸汽直埋管道长达10余km。在城市，蒸汽管道直埋敷设大有取代架空、地沟敷设之势。
然而，蒸汽的温度高，压力大，在饱和状态下又会发生相变，所以，蒸汽直埋管道在设计、施工、运行等方面所面临的问题要比蒸汽管道架空、地沟敷设多而复杂，也比输送其他介质的直埋管道要复杂。从目前国内几条现运行的蒸汽直埋管道来看，大多数的蒸汽管道直埋技术问题均已得到解决，但还有一些问题没有得到充分注意(比如波纹膨胀节抗扭矩、单向波纹膨胀节的伸缩方向与介质流向方向和固定支架之间的关系，这是本文重点探讨的两个问题)和彻底解决(比如外保温层现场施工接口防水问题，本文不作探讨)。
要有效地解决波纹膨胀节抗扭矩及单向波纹膨胀节的伸缩方向与介质流动方向和固定支 架之间的关系问题，不仅会使蒸汽直埋管道安全运行，而且还能使波纹膨胀节制造商、管道设计工程师、现场施工建设单位均能明确波纹膨胀节结构，便于蒸汽直埋管道的设计施工。
二、蒸汽直埋管道中安装的波纹膨胀节扭矩产生原因
从目前蒸汽直埋管道安装的波纹膨胀节的失效事例来看，有许多是由于波纹膨胀节受到 扭矩后而损坏的。韩国也曾有蒸汽直埋管道波纹膨胀节因受扭矩而玻坏的事例。下面分析蒸 汽管道直埋敷设的恃点及作用在其波纹膨胀节上的扭矩产生的原因。
图l(a)是蒸汽直埋管道一般位置的横截面简图，图1(b)是蒸汽直埋管道固定支架处的横截面简图(图l(a).(b)均为理想状态)。

图2是蒸汽直埋管道(两固定支架之间的一个独立补偿管段)设计平面图(俯视图，理想状态)。

由于管道在设计中是理想状态，在现场施工中不可能不存在偏差，在运行中管道还有可能偏离设计位置，正是这些偏差和偏离造成了蒸汽直埋管道上的波纹膨胀节受到了扭矩作用。
1. 固定支架的原因
蒸汽直埋管道固定支架的基础底面的原土或回填土与侧面的回填土耐压强度不一致，在 固定支架地面处有动荷载(比如固定支架地表面处为汽车路面)，这一动荷载又局部或偏离固 定支架对称面作用在固定支架时(如图3(a)汽车车轮经常碾压在固定支架的右上方)，就会导 致固定支架按顺针方向偏转，此偏转产生了很大的扭矩，通过管道传递到波纹膨胀节上，使波纹膨胀节中的波纹管承受了此扭矩，最后导致波纹管损坏。同样原理，如果固定支架地表面处有较大静荷载(比如固定支架地面处为一堵墙)，此静荷载又局部或偏离固定支架对称面作用在固定支架时，如图3(b)(墙在固定支架约右上方)，也会使固定支架产生顺时针方向偏 转，结果与动荷载时相同。
2. 两固定支架之间的管道不呈一条直线
蒸汽直埋管道两固定支架之间的独立补偿管段长度大多都超过钢管自然出厂长度(钢管 通常的自然出厂长度为12m)，一般均为多段自然长度管道对口焊接而成，这在实际工程中往 往会形成两固定支架间的管道不呈一条直线，而是由多段直线(自然长度管道)组成的折线， 如图4(a)所示。当图4(a)所示的实际工程管道基础原土耐压能力不一致时，在直埋管道的 地面再存在着不均匀的动、静荷载的作用下管道下沉不均匀，偏离理论设计轴线的折点处会 对理论轴线(也就是靠近固定支架的波纹膨胀节处)产生偏转力，从而形成扭矩，折线偏离理 论轴线越多，所形成的扭矩就越大。图4（b）为折点处对理论轴线(也就是固定支架中轴线）产生扭矩示意图。

3. 保温层厚度不均匀
由于不同的蒸汽直埋管道保温层结构和加工工艺，均会造成钢管在保温层中偏离原理论 设计位置，也就是钢管周围的保温层厚度不一致，这样的管道安装之后，在地面的动、静荷载的作用下，偏离理论中心位置的钢管对靠近固定支架处的波纹膨胀节产生扭矩，钢管偏离越远，产生的扭矩就越大，如图5所示。

三、抗扭矩波纹膨胀节结构
上面介绍的三种对波纹膨胀节产生扭矩的情况，虽然在蒸汽直埋管道加上制造及现场安 装施工中尽最大努力给予避免，但尚不能彻底杜绝。为此，为防止蒸汽直埋管道产生的扭矩 作用在波纹膨胀节中的波纹管上，就必须在波纹膨胀节自身结构上考虑增加抗扭矩功能，这 样才能从根本上解决扭矩所带来的问题。图6为大连三维波纹膨胀节有限公司制造的应用在 蒸汽直埋管道上的抗扭矩波纹膨胀节(专利产品)结构示意图。它的优点在于来自蒸汽直埋 管道上的扭短虽然作用在波纹膨胀节上，但却作用不到波纹膨胀节中的波纹管上。由图6可 知，该扭矩由波纹膨胀节的外壳管与波纹膨胀节的母管联合承受，这就保证，波纹膨胀节乃 至整个蒸汽直埋管道的运行安全。

四、单向波纹膨胀节有关定义
单向波纹膨胀节在蒸汽直埋管道中安装的位置、方向对管道及固定支架受力大小有较大影响，对管道的安全运行也有较大作用。图7是两固定支架之间蒸汽直埋管道的纵剖面示意图。以前通常把靠近固定支架安装的波纹膨胀节称为单向波纹膨胀节(因为此时的波纹膨胀节单侧吸收管道热膨胀)，把安装在两固定支架间的管段中间处的波纹膨胀节称为双向波纹膨胀节(因为此时的波纹膨胀节双侧吸收管道热膨胀)。

图8为较常见的单向波纹膨胀节结构示意图。这种波纹膨胀节的安装位置对管道所受到 的轴向力大小有较大影响，对介质流动阻力影响也较大。很显然 当这种结构的单向波纹膨 胀节应用在图7中波纹膨胀节的位置是合适的，但用在图7右侧的固定支架左边就会产生 如下两个问题:
(1)当导流筒顺着蒸汽流动方向安装时，管道在运行时作用在管道上的轴向力增大，因为 波纹膨胀节外壳随着蒸汽母管热膨胀而向有延伸，对保温层会产生挤压作用，导致蒸汽母管受到较大的轴向力，增大了固定支架的造价。同时还会损坏与之接触的保温材料，破坏保温防水层，对蒸汽且埋管道安全运行构成不威胁。
(2)当导流筒逆向蒸汽流动安装时虽然能够避免上述问题，但又出现了新的问题，即它不 但使蒸汽流动阻力增大，还会使蒸汽直埋管道运行时产生噪声、振动，严重时导流筒会被蒸汽冲变形或脱落，造成蒸汽直埋管道堵塞事故。这样的事故在蒸汽管道及热水管道中均发生 过。
如何协调单向波纹膨胀节的热膨胀方向与介质流向和固定支架之间的关系，使管道的设 计工程师、波纹膨胀节制造商对单向波纹膨胀节有一个明确的固定的概念，这是管道的建设 方、设计方、波纹膨胀节制造方共同关注的而且也是必须要解决的问题。
大连三维波纹膨胀节有限公司在多年生产制造蒸汽直埋管道用单向波纹膨胀节的实践 中，同黑龙江省电力设计院，大连热电集团，大连春海热电股份公司等管道设计、建设单位就蒸汽直埋管道(同时也适应其他加装有补偿波纹膨胀节的直埋管道)所使用的单向波纹膨胀 节做了如下规定和定义:
(1) 规定
凡蒸汽直埋管道使用的单向波纹膨胀节，在安装时必须将膨胀节外壳的固定端侧要靠近附近的固定支架(也就是要求膨胀节的外壳尽量在管道有热膨胀时不动或微动),如图9所示。
(2) 定义
〈1〉将膨胀节中的导流筒的焊接固定端与膨胀节的外壳固定端在同一侧的单向波纹膨胀节定义为单向正向流动正向补偿波纹膨胀节，称单正波纹膨胀节，结构如图10所示。单正波纹膨胀节适用于图9(a)场合。
〈2〉将膨胀节中导流筒的焊接固定端与膨胀节的外壳固定端不在同一侧的单向波纹膨胀节定义为单向正向流动反向补偿波纹膨胀节，简称单反波纹膨胀节，结构如图11所示。单反波纹膨胀节适用于图9(b)场合。
根据上述规定和定义，蒸汽直埋管道的设计、建设、现场施工以及波纹膨胀节制造单位对单向波纹膨胀节均有了明确的固定概念，有利于蒸汽直埋管道的设计、施工，有利于波纹胀节制造单位加工制造，最终有利于蒸汽直埋管道安全运行。

大连三维波纹膨胀节有限公司通过1995年至1997年三个年度与大连热电集团，黑龙江省电力设计院、大连春海热电股份公司等单位合作，在大连热电集团的蒸汽直埋管道(约7km)和大连春海热电股份公司的蒸汽直埋管道(约3km)中采用上述规定和定义的单向波纹膨胀节，在设计、订货、制造、安装、运行等环节均显示出良好效果。
转自：苏文玉（大连三维波纹膨胀节有限公司）