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钢套钢直埋保温钢管技术新动态

2016-06-17  来自: 圣泽重工有限公司.. 浏览次数:334
随着我国经济建设的迅速发展,尤其是供暧投资力度的加大,供热系统中的直埋管网日益增多,1999年达9251km,已占总钢管量的29.51%。现我国每年近2亿多元投资于直埋式预制蒸汽直埋钢管的敷设,年约800km以上。直埋敷设取得显着的节能效果和突出的社会、环境和经济效益。人们的生活质量进一步提高。但随着市场的开拓,先后也暴露出一些包括设计、制造、施工、建安以及材料等诸多方面的问题。特别是有关直埋蒸汽保温钢管的外护管,直接涉及管网的经济性、安全性、可靠性。作者曾在1998年于《新型建筑材料》第1、6期等拙文《直埋式预制保温钢管技术进展及问题分析》、《直埋式预制保温管保护层材料的分析研究》对直埋钢管的外护管(当时称谓“保护层”)进行了初步分析研究。现再次就直埋式预制蒸汽保温管外护管及防腐层材料、结构、设计等进行分析探讨。  直埋式预制蒸汽保温管的外护管及防腐层材料   目前,国内外直埋式预制蒸汽保温管,全为脱开式结构。根据材料性能,保温结构设计以及经济、安全、运行可靠性要求不同,大体可分为:钢套钢,塑套钢,纤维增强玻璃钢套钢三种,其外护管也即分为钢质外护管,塑料(PE、PP、PVC)外护管和玻纤增强树脂玻璃钢外护管。美国Perma-pipa公司Malti-therm500(260℃)直埋管[2],用纤维类材料绝热保温,采用钢质导管做外护管——使温度降为普通低温钢管水平,再用聚氨酯(PU)保温,以玻璃钢作防水防腐保护层。从目前国外公司调查,除意大利Socotherm公司曾推出硅酸钙瓦——聚氨酯复合保温, 用HDPE做外护管[3],尚未见到其它公司正在应用类似产品。德国的Isobrugg公司为代表全部采用钢质外护管[4],而60年代Jabithem公司[5]曾采用HDPE或环氧树脂玻纤增强管已很少用或被取代。薄型铁皮外护管现只用于架空钢管敷设。国内外蒸汽直埋管保温结构及外护管、防腐层材料见表1。(略)   钢质外护管及防腐层   目前,国内外应用最多的一种结构形式,就是钢质外护管的保温结构。国外几乎全部都是这种外护管,只是意大利Socothem公司在北京(99年)展览会曾介绍了HDPE保护管结构。具谈,应用不甚广。国内重要蒸汽网的主干线钢管大部应用钢外护管,而早先数年间,在一些省、市、地区因造价或地域地下水低故采用玻璃钢或HDPE外护管结构。   钢质外护管,由于采用传统金属焊接工艺,只要认真重视,钢管质量是可以保证的,特别是外护管焊接采用超声波检查或气密性试验,能够保证钢管接口的密闭性。目前显现出最重要的问题是钢管的防腐。对外护管的壁厚将同塑管和玻璃钢外护管一并讨论。   1、技术进步——防腐等级水平的提高   随着科技进步,金属材料的防腐愈来愈得到重视和加强。现已研究开发出多种有效的防腐蚀结构和新的防腐蚀材料,减少埋地钢管的腐蚀,保证正常使用寿命达15年或更多(国外都在20~40年以上),是钢管设计基本要求。   直埋钢管敷设现多采取:   (1)加耐腐蚀覆盖层,以保证埋地钢管的抗腐蚀性;   (2)整体或局部设计阴极保护,与钢管外加覆盖层相结合使用;   (3)改变腐蚀环境,更换土壤或加缓蚀剂,调节PH值;   (4)利用耐腐蚀的非金属材料,替代金属钢管,复合有机高分子材料纤维增强玻璃钢外护管即是一种,单一或复合聚乙烯钢管是另一类型。   国外采用阴极保护技术已应用多年,90年代德国已敷设17000km、法国20000km、前苏联60000km、美国640000km[6]。我国长距离输送(气)钢管已于1968年采用阴极保护技术,1989年北京市还专门召开了“城市钢管阴极保护”学术研讨会[7],近年直埋蒸汽钢管在上海、宁波、大连等地均也采取金属钢管覆盖防腐层与阴极保护相结合应用技术。   2、钢管外部覆盖层——防腐层   金属钢管表面覆盖层可起到装饰、耐磨、隔热、密封、防水防腐等作用,对埋地蒸汽钢管主要是防蚀、防水、密封性。   覆盖层使钢管电化学腐蚀的电池回路电阻加大或使钢管表面金属钝化,或隔离外部腐蚀介质,从而减缓金属钢管腐蚀速率。   外护管内壁多采用富锌二度或防锈漆涂二遍处理,以减缓水汽下的氧化腐蚀。外覆盖层(防腐层)大体可分两类,对于金属镀层类,蒸汽直埋管多不采用。   现只探讨一下非金属涂料的防腐层     对蒸汽直埋钢管,要求(防腐)覆盖层,耐受一定温度,与外护钢管结合力强,覆膜完整无针孔,有耐热或冷却或受力状态(冲击、弯曲、土壤应力)变化的能力,以及电绝缘性能,防水性能。即钢管防腐层具有:良好的粘结性,电绝缘性,防水及化学稳定性,足够的机械强度和韧性,耐温耐热和抗冷脆性,抗微生物腐蚀性,耐阴极剥离性。   十几年来,特别近些年直埋式蒸汽保温管工程实施,暴露出防腐层许多因性能不保证,厚度不够或设计不合理,安装、施工及运行中破坏。防腐层使用仅几年,就有的被迫更换或维修。如环氧煤沥青,因受阳光照射,漆料中含有的蒽、萘受热分解升华,针孔剧增;加之固化不好,强度低,机械性破损加大,某些防腐层吸(透)水性高,而过早的与金属管剥离,防腐性失效。有的设计外壁使用温度过高达97℃,迫使用国内一些环氧煤沥青涂料性能早失效而破坏   3、新近发展的高性能防腐层(材料)   自60年代,美国率先研究开发了环氧树脂[9],德国推出聚乙烯塑料应用到钢管防腐工程上[10],有熔结型粉末涂料(热固性或热塑性)和溶剂性涂料。现直埋式预制蒸汽保温管,采用环氧粉末热喷涂逐渐增多。近年又从国外引进高膜厚PU防腐层(双组分无溶剂型聚氨基甲酯焦油或聚脲涂料)。   (1)熔结环氧粉末(FBE)由于粘结力强,机械性能好,优异的抗耐腐蚀性能,特别是可在-60~100℃大温差范围应用,耐土壤应力和阴极剥离性表现更好。   (2)挤出PE/PP(包覆型)或PE聚乙烯带(缠绕型)由于绝缘电阻高,抗杂散电流干扰力强,以及突出的机械性能、耐冲击(物理损伤)能力高而在欧洲广泛应用。   (3)80年代欧洲先研制和推出三层PE复合结构,发展了FBE及PE的优点,使防腐层更加完善和耐用。第一层保证粘结性及电绝缘性,第二层特殊防水层,第三层为保证机械性能的保护层。对适应各复杂地域、严重土壤腐蚀苛刻环境表面非凡。绝缘阻值极高达1010Ω·m2,而阴极保护电流,只有数μA/m2,对长距离的钢管,能大幅度降低安装和维修费用。   (4)90年代德国VIAG Aktiengeselschaf集团TIB公司研制生产了Protegol UT32-10高膜厚PU腐材料[11],其硬度高,耐腐性佳,耐冲击性为环氧粉末10倍以上,阴极保护电流更小,耐热老化性突出(100℃ 2400h以上),单一层结构,一次施工成型方便,而不留气泡,对异形管件,补口尤为适用。表2列出各种防腐层性能。   塑料及玻璃钢外护管   直埋式预制蒸汽保温管在国外单独使用高密度聚乙烯(HDPE)塑料做外护管很少见,多与钢管(导管)或与钢外护管复合使用,塑管作密封、防水、防腐、抗冲击韧性保护层用。国内则因技术水平以及造价所致,前些年则多采用玻璃钢(FRP)(土法手工缠绕)或高密度聚乙烯(HDPE)单独作外护管。拙文《直埋式预制保温管保护层材料的分析研究》已有详细论述。   1、HDPE管有很好的冲击韧性,冷态(室温下)强度比较大,加之我国低温热水管生产应用时间长些,使用经验较多,得到肯定。但片面的忽视了高温蒸汽直埋管外壁温度50℃的基本要求,甚至温度更高。在此温度下HDPE管许用应力下降,仅是设计20℃时应力的25%左右[12];有的厂家更是单从经济性考虑,降低壁厚,不做强度刚度计算,不遵循国外ISO、ASTM和PPI工业钢管规定或我国行业标准规定,这就难免不出现许多问题。   如塑管耐温蠕变性大,在持久应力作用下强度明显下降,造成所谓经济型HDPE外护管形变,结构损坏,动、静载荷使管径受压缩、弯曲或超过额定压力,发生外护管形变超大,出现屈曲破坏。更有甚者,原材料质量差或加工工艺、技术水平低而发生大范围的环向应力开裂、破坏。此已出现多起严重事故,造成颇大损失。   2、玻璃钢(FRP)外护管应用到直埋式预制高温蒸汽保温管工艺和产品中,独具我国的特色。它充分挖掘玻璃钢的潜力:质轻强度大,耐腐性好,电绝缘性强,工艺性优良和一定的耐温性(较HDPE为高),造价低,而发展起来。但其弹性模量低,比钢(E=2.1×106)小10倍,且随温度升高更降低,产品的强度、刚度不足,易变形;持久的耐温性差、蠕变,湿强度低(长期在湿环境下工作,强度降50%)[13]以及老化性能、层间剪切强度低,而不同树脂玻璃钢耐酸碱性不同,是近年玻璃钢材料外护管损坏的重要原因。   设计不当、结构不合理、壁厚过小、粗制滥造,保证不了保温结构的完整性,特别是恶劣气候下,现场施工补口,水份影响更为突出;材料不规范或乱用,采用有碱玻璃丝布或土丝布以及紫外线光照,土壤化学介质腐蚀,野蛮施工机械硬性破坏,都是质量保证不了事故发生的直接原因。   据不完全统计,我国先后已发生数十起质量事故,辽宁锦州、大连,河南信阳、郑州,浙江宁波、慈溪、嵊州,江苏洪泽、连云港,湖北武汉、天台、山东临沂、青岛等等损失上千万的有之,百万元为数更多。有的仅运行四个月就被迫挖出改架空,并发生多起恶性事故,通讯电缆熔化,或烫伤(亡)人员。为此《城镇供热直埋蒸汽钢管技术规程》编写组经调查、慎重的建议:蒸汽直埋管钢外护管基本形式,对采用高密度聚乙烯或玻璃钢外护层应限制条件使用。   经过多年努力,现我国已编制并审批通过的中华人民共和国城镇建设行业标准J/T129-2000《玻璃纤维增强塑料外护层聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管》规范,明确指出输送介质热水不高于120℃,偶然峰值不高于140℃。外护层温度正常使用控制在-50~65℃范围内,要具有耐受工作压力不大于2.5MPa 80℃下,试验1500h性能要求才能保证使用寿命。对于高温蒸汽直埋管,技术条件要求只能高于此。   外护管最小壁厚的确定 1、各种材料的外护管壁厚确定的基本原则: (1)保证直埋式预制蒸汽保温钢管完好的密封、防水(防腐)性; (2)有足够的刚度、强度,不对芯管产生环向载荷(应力),保证保温结构的完整性。脱开式结构滑动自如,保温材料不破坏或变形,不改变保温性能;抽真空时不发生凹陷或屈曲变形; (3)对采用某些新技术,如内固定支座时,能承受足够大的纵、横向力,并能进行力的传递; (4)外护管的厚度除满足运输、施工需要,还应保证运行时钢管有足够抗径、轴向失稳或撬起的稳定性能; (5)有能承受一般偶发事故或在非正常状态下(意外情况或环境条件变化)能力,有足够安全可靠系数。

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