蒸汽保温管的外护管及防腐层的研究与探讨

一、前言
　　随着我国经济建设快速发展，特别是基础设施投资力度的加大，供热系统中的直埋管网日益增多，1999年达9251km，已占总管道量的29.51%。现我国每年近2亿多元投资于直埋式预制蒸汽直埋管道的敷设，年约800km以上[1]。直埋敷设取得显著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管道的外护管，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《直埋式预制保温管道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》对直埋管道的外护管（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。
二、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管道水平，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管道敷设。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)
三、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管道大部应用钢外护管，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，管道质量是可以保证的，特别是外护管焊接采用超声波检查或气密性试验，能够保证管道接口的密闭性。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，减少埋地管道的腐蚀，保证正常使用寿命达15年或更多（国外都在20~40年以上），是管道设计基本要求。
直埋管道敷设现多采取：
（1）加耐腐蚀覆盖层，以保证埋地管道的抗腐蚀性；
（2）整体或局部设计阴极保护，与管道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，单一或复合聚乙烯管道是另一类型。
　　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）管道已于1968年采用阴极保护技术，1989年北京市还专门召开了“城市管道阴极保护”学术研讨会[7]，近年直埋蒸汽管道在上海、宁波、大连等地均也采取金属管道覆盖防腐层与阴极保护相结合应用技术。
2、管道外部覆盖层——防腐层
　　 金属管道表面覆盖层可起到装饰、耐磨、隔热、密封、防水防腐等作用，对埋地蒸汽管道主要是防蚀、防水、密封性。
覆盖层使管道电化学腐蚀的电池回路电阻加大或使管道表面金属钝化，或隔离外部腐蚀介质，从而减缓金属管道腐蚀速率。
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，略。
现只探讨一下非金属涂料的防腐层，如图1。(略)
　　本文重点探讨有机涂层方法。
　　对蒸汽直埋管道，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。即管道防腐层具有：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[8]。
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管道防腐工程上[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，对长距离的管道，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。
表2 主要类型防腐层性能比较。(略)
四、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工业管道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《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》编写组经调查、慎重的建议：蒸汽直埋管首选钢外护管基本形式，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。
五、外护管最小壁厚确定
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管道完好的密封、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，还应保证运行时管道有足够抗径、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。
2、钢制外护管最小壁厚确定
　　国内外对钢制管道壁厚的合理设计已成熟，在充分分析了管道外护管壳承受的土压力（垂直、侧向、被动及底部支撑力）和管道内应力、变形应力后，设计计算公式为[14]：。(略)
按此规定确定的外护管壁厚，见表3。
表3　　外护管壁厚 mm
D外　　 D外/140　　园整化后　　建议最小厚度
159　　　　1.14　　　　1.5　　　　2.0 （3.0）
219　　　　1.57　　　　2.0　　　　2.5 (3.0)
273　　　　1.95　　　　2.0　　　　3.0
325　　　　2.32　　　　2.5　　　　3.0
377　　　　2.69　　　　3.0　　　　3.5
426　　　　3.04　　　　3.5　　　　4.0
478　　　　3.41　　　　4.0　　　　4.5
529　　　　3.78　　　　4.0　　　　5.0
630　　　　4.5　　　　 5.0　　　　5.5
720　　　　5.14　　　　5.5　　　　6.0
820　　　　5.86　　　　6.0　　　　6.5
920　　　　6.57　　　　7.0　　　　7.0
1020　　　　7.29　　　　7.5　　　　8.0
　　建议厚度是考虑到钢管制造负偏差或裕量时，相应加大后的厚度，对于小口径钢管，还参照有关标准规定，制造的可靠性。
　　蒸汽直埋保温管的外护管，焊接强度密封性实验均按0.6MPa压力管技术要求，但在验算外护管外力作力下管子变形时，以无压状态验校，水平直径方向变形量严格规定不得大于外护管子外直径的3%。[16]
即 ΔX≤0.03D外 ΔX——水平变形量mm
3、塑料（HEPE）外护管的最小壁厚确定
直埋热水管道其外护管壁厚，欧洲EN-253或我国CJ/T114-2000，已明确规定，现摘录如表4。
表4 HDPE外护管直径/壁厚
管外径 δ壁厚CJJ/T114- 按SDR推算 管外径 δ壁厚CJJ/T-114 按SDR推算
140　　　　3.0　　　　 2.19　　 400　　　　6.3　　　　　　6.25
160　　　　3.0　　　　 2.50　　 420　　　　6.3　　　　　　6.56
200　　　　3.2　　　　 3.10　　 450　　　　7.0　　　　　　7.03
225　　　　3.5　　　　 3.52　　 500　　　　7.8　　　　　　7.8
250　　　　3.9　　　　 3.52　　 560　　　　8.8　　　　　　8.75
280　　　　4.4　　　　 4.38　　 630　　　　9.8　　　　　　9.84
315　　　　4.9　　　　 4.92　　 710　　 11.1　　　　　　11.09
355　　　　5.6　　　　 5.55　　 850　　 12.0　　　　　　13.28
365　　　　5.8　　　　 5.70　　 955　　 13.0　　　　　　14.92
按照美国PPI塑料管协会规定[17]：
P——额定工作压力 MPa　　 D——管外直径 mm
δ——最小管壁厚度 mm　　 S——静压设计压力 MPa
SDR——标准尺寸比
　　经上式验算，基本全符合规范要求，蒸汽直埋管外护管可参照选用。
4、玻璃钢外护管的最小壁厚确定
　　 玻璃钢材质的外护管，由于生产使用的原材料：树脂（环氧、不饱和树脂、聚酯等）、增强纤维、添加助剂及其成型工艺的不同，其性能有明显的差异。但总的来说，它与塑料外护管有许多相近之处，特别是与PE/PP外加玻纤增强复合管性能更是贴近。国外把它们统称增强塑料（玻璃钢）。
（1）增强玻璃钢外护管的蒸汽直埋管道其壁厚度，除要考虑钢管、塑管某些相同的必要因素外，由于它的性能特殊，拉伸破坏变化率仅1.8~4.0%[18]（钢为18%，HDPE为350%伸长度）是脆性断裂。这就要求我们，不单是考虑管道压力等级、设计工作压力、许用应力、外部静、动荷力，还要考虑管道的许用挠度（无压条件下，挠曲产生的应力或应变，不超过长期30~50年工作的应力或应变），核校管道的抗屈曲能力等。美国AWWA C950-88制定对地下埋设玻璃钢管设计准则。从理论计算到设计系数的正确设定和经验参数选取都有助于管道设计的成功。安装工程参数的正常选择确定，土壤类别密实度，土壤的挠度系数，反力模量……都是管道最终实施成功十分重要和必须的。
（2）美国AWWA C950-88标准附录A详细的讨论了地下埋设玻璃钢管的设计准则，我们可借鉴参考直埋蒸汽管道外护管设计。
　　这里有五点须指出：
①与刚度有直接关系的许用挠度（垂直方向许用挠度）是设计的一个极重要的参数，刚度值为S：　　
E——管道弯曲弹性模量N/mm2
I——单位长度管环弯曲惯性矩mm4/mm　　
D——平均管径mm　　　　　　　　　　 D外——外护管的外径mm
F——单位长度载荷N/mm　　　　　　　　D内——外护管的内径mm
ΔY——垂直方向许用挠度mm
②地面管道与地下管道设计有很大差异，所有设计中的设计系数（安全系数）均>1.5，通常取1.8~2.0。设计校核中的许用挠度是以计算管道无内压时为基准，挠度产生时应力不超过长期（50年）许用应力值；
③管道的挠度严格规定<0.05D极限值，一般为0.03D;
④管道的壁厚指纤维增强壁厚部分，其纯树脂部分不计在内；
⑤考虑到外护管承受外部的冲击压力与其管壳环向拉伸弹性模量及厚度/直径比有很大关系，通常玻璃钢外护管抗冲击压力比高模量金属管道为低。一般取 即t=0.01D来保证玻璃钢管抗冲击能力。
玻璃钢管总壁厚δ=t+tr　t——纤维增强壁厚度mm tr——树脂内衬层壁厚度mm
　　国外缠绕玻璃钢增强聚乙烯（VPE）外护管，其性能较PE有重大改进，耐热性达110℃，且电阻率>1012Ω·m。 50℃许用应力在7MPa时，其管壁厚度完全满足PPI协会SDR规范要求。使用寿命达30年[见拙文1998年第六期《新型建筑材料》]普通直接缠绕的玻璃钢外护管（FRP）因国内各生产厂家技术要求不同而差异很大。表5列出主要各厂家管壁厚值。
表5 几个主要生产厂玻璃钢管（FRP）壁厚规格。(略)
　　从上表可清楚看出，我国用玻璃钢做外护管的壁厚，刚度大的小管径管还好，对于>300mm规格，特别是>450mm管道普遍偏低，均 0.01，只有国外引进技术的厂家，正规产品外护管壁厚 ≥0.01。
　　壁厚偏薄，要保证长期工作15年以上，是潜存有问题的。这也是我国近年玻璃钢外护管的蒸汽直埋管事故多发的重要原因之一。
六、外护管的使用温度和设计温度确定
　　 直埋式预制蒸汽保温管，一个十分突出的问题，即管道安装，试运吹扫或运行中突然发生保温管的保温层进水或是内钢管（芯管）蒸汽泄漏，使之外护管温度超过原保温设计时50℃、60℃，而达80℃、100℃或更高，对管系带来的严重影响，其管道还能否短时间承受这一冲击，继续运行的问题。
　　 各种材质的外护管的蒸汽直埋管道，在保温设计时，通常均按照埋地管外表面温度（控制温度）50℃，最高≯65℃计算保温厚度。
　　 因材质不同，实际外护管的使用温度范围差别很大。CJJ/T-114标准规定HDPE为-50℃～50℃，CJJ/T129规定FRP为-50℃～65℃。拙文[直埋式预制保温管外护层材料的分析研究]中已指出：
HDPE使用范围是应力、温度的函数，根据温度一应力一寿命曲线可查出[21]：
30℃，5MPa时50年寿命，随使用温度升高，
40℃，5MPa时17年寿命，
50℃，5MPa时12年寿命。
如相应应力减小，相同温度下其管道的寿命可延长：
40℃，4MPa时28年，
40℃，3MPa时>50年寿命。
　　 增加塑料玻璃钢FRP其属性也类似，温度影响颇大，随温度升高，强度下降，寿命衰减加速。
　　 实践和理论计算表明，对塑管和玻璃钢外护管，将发生随温度的升高，材料破坏趋向严重，超过材料高温下长期使用（30～50年）的许用应力，许用挠度，发生屈曲破坏，管道失效须更换；对钢质外护管，只要设计结构合理，按100℃或120℃状态设计，管壁厚度、焊缝强度、满足此温度下的使用强度和应力值就可保证管道系统能继续运行。外护管的防腐层虽有可能部分老化或破坏，进行修复还可应用。 这也正是钢质外护管最突出的优点所在，这点国内多处工程如宁波、洛阳实践已充分得到证实，其安全性、可靠性和经济性。
七、结论
1、直埋式预制蒸汽保温管的外护管是保温结构中—复杂和极为重要的组成部分，是管系寿命经济性、安全性、可靠性重要所在。很有必要深入研究和探讨。只有充分、全面的认识，科学分析，严格的计算，才通正确的设计或选择。
2、严格遵守工程准则——安全可靠原则，进行材质、结构、应力分析和防腐技术设计，对设计中安全系数（设计系数）要考虑到环境、操作因素的多变性或意外非正常状态，要留有充分的裕量。
3、钢质外护管独具其优点，特别是对于采用直埋管道新技术如内固定（位移）支座等，有保证作用。除能进行力的传递外，节约土建工程投资，加速施工速度，保证施工质量、作用突出明显。
4、为杜绝不应该发生的各种恶性事故，各种类型的外护管壁厚应严格规范要求，绝不能降低，随意减薄。特别是玻璃钢外护管，应以增强纤维层厚度来做应力计算或分析。钢外护管其壁厚设计也应考虑非正常100~120℃下许用应力、强度要求。
5、严格控制使用温度，是保证管道安全运行的根本。具有保护性能的外护管其耐温程度一定要留有安全余度。钢外护管100～120℃下材质强度几乎无变化，在<350℃材质变化也不大，适用高温蒸汽直埋管采用。高密度聚乙烯或玻璃钢外护管超过50℃全都随着温度的升高，强度降低，屈曲应力增大，压缩、弯曲、变形破坏可能性愈大，寿命缩短。特别是相对刚度小而管径大管道变化尤为突出。
以上分析有不妥之处，敬请指正。

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