作者：陈雷，刘领诚，朱长青
第一作者单位：上海科华热力管道有限公司
摘自《煤气与热力》年9月刊
我国蒸汽管道直埋敷设技术始于20世纪90年代，目前技术已趋于成熟，并在不断完善和提高,但多年来业内关于直埋蒸汽管道外滑动式和内滑动式两种保温结构争论不断。本文对直埋蒸汽管道的这两种保温结构进行探讨。
1外滑动式和内滑动式保温结构
外滑动式保温结构指直埋敷设蒸汽工作管外包保温材料，主要是玻璃棉毡（壳）（以下简称玻璃棉），也可以是硅酸铝棉毡、微孔硅酸钙瓦，保温层外设外护管（钢管或玻璃钢管）。一段蒸汽管的两端各设1只内固定支座，用于固定外护管与工作管。这段蒸汽工作管连带外包保温材料一起在外护管中可前后滑动。外滑动式保温结构见图1。
图1外滑动式保温结构
内滑动式保温结构是微孔硅酸钙瓦和聚氨酯泡沫组合（简称瓦-泡组合），瓦-泡组合与外护管粘结成一体，工作管在瓦-泡组合与外护管砌成的“隧道”中前后滑动。内滑动式保温结构见图2。
图2内滑动式保温结构
2保温管散热量比较
以工作管规格为D×10、外护钢管规格为D×10的直埋蒸汽管道为例，分别采用内滑动式和外滑动式两种保温结构，对保温管散热量进行计算。
技术参数：蒸汽温度为℃，环境土壤温度为20℃，土壤热导率为1.4W/（m·K），工作管中心至地表面的距离为1.5m。
本文保温管散热量计算过程中忽略工作管、隔热石墨润滑层、铝箔反射层、防腐层以及外护管的热阻，则内滑动式保温管结构（由内到外）可以简化为：工作管—微孔硅酸钙瓦—聚氨酯泡沫—外护管；外滑动式保温管结构（由内到外）可以简化为：工作管—微孔硅酸钙瓦或玻璃棉—空气夹层—外护管。
①内滑动式保温管
内滑动式保温管散热量计算公式为：
Φn——通过单位长度内滑动式保温管的热流量，W/m
t1——蒸汽温度，℃
t0——土壤温度，℃
λn1——微孔硅酸钙瓦热导率，W/（m·K）
dn2——微孔硅酸钙瓦的外径，mm
d1——工作管外径，mm
λn2——聚氨酯泡沫热导率，W/（m·K）
d3——外护管内径，mm
λ3——土壤热导率，W/（m·K）
r——工作管中心至地表面距离，mm
②外滑动式保温管
外滑动式保温管散热量计算公式为：
Φw——通过单位长度外滑动式保温管的热流量，W/m
λw1——微孔硅酸钙瓦或玻璃棉的热导率，W/（m·K）
dw2——微孔硅酸钙瓦或玻璃棉的外径，mm
λe——夹层空气当量热导率，W/（m·K）
外滑动式保温管因加工工艺需要，保温材料与外护管之间肯定会有一个环形空间（即空气夹层）。在空气夹层内，空气存在对流。当空气夹层厚度大于10mm后，对流效应明显，夹层越厚，对流效应越强，传热越强。因此，为体现空气流动使传热加强的效果，需对空气的热导率进行修正，即在计算外滑动式保温管散热量时，用空气当量热导率替代空气热导率。
各种温度下的干空气特性见表1。
表1各种温度下的干空气特性
空气当量热导率的计算公式（公式适用范围为1×＜GrPr＜1×）为：
λa——空气的热导率，W/（m·K）
Gr——格拉晓夫数
Pr——普朗特数
β——空气的体膨胀系数，K-1
g——重力加速度，m/s2，取9.81m/s2
Δt——空气夹层内、外表面之间的温差，℃
δ——定型尺寸(为空气夹层厚度)，m,取0.04m
υ——空气运动黏度，m2/s
t′——夹层空气定性温度，℃
t1——空气夹层内表面温度(即微孔硅酸钙瓦或玻璃棉的外表面温度)，℃
t2——空气夹层外表面温度(即外护管内表面温度)，℃
Gr、Pr、λa和λe都与空气夹层内、外表面温度有关，而不知道夹层空气当量热导率λe又无法计算出空气夹层内、外表面温度。因此，先假设一组空气夹层内、外表面温度值，然后用逐次逼近法反复计算，直至计算出的空气夹层内、外表面温度值与计算时设定的空气夹层内、外表面温度值足够接近为止。具体方法为：
根据经验先假设一组空气夹层内、外表面温度值，然后根据公式（6）计算出夹层空气的定性温度，查表1得到Pr、υ、λa，将相关参数（其中微孔硅酸钙瓦外径为mm，外护管内径为mm）依次代入公式（5）、（4）得到Gr，验算GrPr是否在（1×，1×）范围内。如果在（1×，1×）范围内（蒸汽管道的GrPr一般都在该范围内），则通过公式（3）计算得到空气的当量热导率。根据微孔硅酸钙瓦或玻璃棉的内表面温度（约为蒸汽温度）和假设的外表面温度（即空气夹层内表面温度）查得平均热导率。将相关参数代入式（2），得到通过单位长度外滑动式保温管的热流量。再根据热流量相等的原则求得空气夹层内、外表面温度值,即微孔硅酸钙瓦或玻璃棉的外表面温度、外护管内表面温度。如果计算出的空气夹层内、外表面温度值与计算时设定的空气夹层内、外表面温度值之差均小于1℃，则计算结果可以接受，不再重复迭代计算；否则重新假设空气夹层内、外表面温度值等于上次计算得到的空气夹层内、外表面温度值，重复上述计算过程，直至计算结果可以接受。
最终得到玻璃棉外滑动式保温管的空气夹层内、外表面温度分别为74.3、52.3℃，通过单位长度保温管的热流量为.6W/m；微孔硅酸钙瓦外滑动式保温管的空气夹层内、外表面温度分别为83.8、58.2℃，通过单位长度保温管的热流量为.9W/m。
③计算结果比较
2种保温结构保温管的散热计算结果见表2。
表22种保温结构保温管的散热计算结果
在保温夹层（工作管外表面至外护管内表面的区域）厚度相等条件下，内滑动式保温管保温效果与玻璃棉外滑动式保温管保温效果相近，而微孔硅酸钙瓦外滑动式保温管保温效果较差，其散热量比内滑动式保温管约高22%，外护管内表面温度也明显比其他两种保温方式高。
3比较结果的理论分析
内滑动式保温管根据工作管管径大小在工作管外环向包覆2~6块微孔硅酸钙瓦，在轴向则一根管上最多有20块微孔硅酸钙瓦，发泡过程中瓦块与外护管间相互压紧。聚氨酯泡沫固化后，聚氨酯泡沫与外护管粘牢，保温管整体性良好。
外滑动式保温管由于每段管道要设两只内固定支座，管道轴线方向的保温层在内固定支座处出现断层，仍以上述玻璃棉外滑动式保温管的例子计算，如果工作管与外护管之间没有保温材料，则散热损失约为玻璃棉完好状况下热损失的5倍。即在每只内固定支座前后因保温层断层，会形成明显的热桥。管道内固定支座均为钢质材料，是优良的热导体，其热导率高达48W/(m·K），是玻璃棉热导率的~倍，尽管动足脑筋阻止散热，内固定支座仍然是个不可忽略的热桥。
此外，由于外滑动式保温管的保温材料与工作管等长且随工作管移动，采用波纹管补偿器的管道，每个补偿管段轴向有~mm的伸缩量，这无疑给外滑动式保温管保持保温层连续增加了难度。至于微孔硅酸钙瓦外滑动式保温管，由于微孔硅酸钙瓦在温度升高时收缩，使得瓦间环向缝隙引发的热桥效应更强烈。
在玻璃棉外滑动式保温管加工和运行过程中，如果玻璃棉与外护管发生钩挂，玻璃棉会遭到撕扯，造成保温材料局部缺失，产生更为严重的热桥。此外，随着时间推移，玻璃棉保温能力明显衰减是个无须争论的事实。
4直埋蒸汽管道危害种类及防范措施
与架空敷设蒸汽管道比较，直埋蒸汽管道需要面对的问题更多，排除故障的难度更大，管道设计、制造、施工、监理和运行管理五个环节的工作质量与管道安全都有密切关系。选择合适、合格、负责任的合作单位对保证管道安全至关重要，用最低价中标的规则选择合作单位往往因小失大，后患无穷，这是业主和业主上级单位应当总结和思考的重要问题。
①直埋蒸汽管道可能发生的危害种类
管子或管件在运输、储存和安装过程中遭水浸泡，保温夹层进水。
与外护管有关的危害种类：外护钢管有沙眼、重皮、裂缝；外护钢管之间组对有漏焊；被重载车压裂；不均匀沉降引起开裂；外护钢管腐蚀穿孔；端封破坏；热应力引发外护管自身破坏；排潮管引入雨水、地下水等。
与工作管有关的危害种类：管子或管件上有沙眼、重皮、裂缝、漏焊、损伤；未拆补偿器定位、限位装置；水击；波纹管补偿器波纹管破裂；汽流冲刷；腐蚀。
②防范措施
管道质量与原材料和产品标准有关，与价格有关，与产品厂家有关，想防范由于管道质量引起的热网事故完全可以做到。
设置补偿隔断节。对多年的事故统计分析发现，补偿器和疏水器的发生事故概率较高，有压蒸汽对保温层造成的损害严重，应该对补偿器、疏水器泄漏加以防范。9年开发了用来保护管道保温材料的补偿隔断节，见图3。
图3补偿隔断节和信号管的设置
坚持做热网系统气密性试验，对于保证热网投产之前不存在外漏隐患是很有效的措施。
热网水压试验可以排除工作管上有沙眼、微小裂缝等隐患。工作管上如果有较大的孔、洞、缝，进行水压试验时将使管道保温层中注入大量水，使管道保温层遭到损害。处理不当，还可能引起次生的外护管热应力破坏，损失更严重。为防范意外，在进行水压试验之前，应对工作管先进行气压试验。气压试验通过后，再进行水压试验。
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