廠家直埋式預制蒸汽保溫管道的外護管及防腐層的研究與探討

P—— 額定工作壓力 MPa D—— 管外直徑 mm  δ—— zui小管壁厚度 mm S—— 靜壓設計壓力 MPa  SDR—— 標準尺寸比       經上式驗算，基本全符合規范要求，蒸汽直埋管外護管可參照選用。    4 、玻璃鋼外護管的zui小壁厚確定   玻璃鋼材質的外護管，由于生產使用的原材料：樹脂（環氧、不飽和樹脂、聚酯等）、增強纖維、添加助劑及其成型工藝的不同，其性能有明顯的差異。但總的來說，它與塑料外護管有許多相近之處，特別是與 PE/PP 外加玻纖增強復合管性能更是貼近。國外把它們統稱增強塑料（玻璃鋼）。    （ 1 ）增強玻璃鋼外護管的蒸汽直埋管道其壁厚度，除要考慮鋼管、塑管某些相同的必要因素外，由于它的性能特殊，拉伸破壞變化率僅 1.8~4.0%[18] （鋼為 18% ， HDPE 為 350% 伸長度）是脆性斷裂。這就要求我們，不單是考慮管道壓力等級、設計工作壓力、許用應力、外部靜、動荷力，還要考慮管道的許用撓度（無壓條件下，撓曲產生的應力或應變，不超過長期 30~50 年工作的應力或應變），核校管道的抗屈曲能力等。美國 AWWA C950-88 制定對地下埋設玻璃鋼管設計準則。從理論計算到設計系數的正確設定和經驗參數選取都有助于管道設計的成功。安裝工程參數的正常選擇確定，土壤類別密實度，土壤的撓度系數，反力模量 ?? 都是管道zui終實施成功十分重要和必須的。    （ 2 ）美國 AWWA C950-88 標準附錄 A 詳細的討論了地下埋設玻璃鋼管的設計準則，我們可借鑒參考直埋蒸汽管道外護管設計。       這里有五點須指出：   ① 與剛度有直接關系的許用撓度（垂直方向許用撓度）是設計的一個極重要的參數，剛度值為 S ：     E—— 管道彎曲彈性模量 N/mm2  I—— 單位長度管環彎曲慣性矩 mm4/mm   D—— 平均管徑 mm D 外 —— 外護管的外徑 mm  F—— 單位長度載荷 N/mm D 內 —— 外護管的內徑 mm  ΔY—— 垂直方向許用撓度 mm    ② 地面管道與地下管道設計有很大差異，所有設計中的設計系數（安全系數）均 >1.5 ，通常取 1.8~2.0 。設計校核中的許用撓度是以計算管道無內壓時為基準，撓度產生時應力不超過長期（ 50 年）許用應力值；    ③ 管道的撓度嚴格規定 <0.05D 極限值，一般為 0.03D;    ④ 管道的壁厚指纖維增強壁厚部分，其純樹脂部分不計在內；    ⑤ 考慮到外護管承受外部的沖擊壓力與其管殼環向拉伸彈性模量及厚度 / 直徑比有很大關系，通常玻璃鋼外護管抗沖擊壓力比高模量金屬管道為低。一般取 即 t=0.01D 來保證玻璃鋼管抗沖擊能力。  
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玻璃鋼管總壁厚 δ=t+tr t—— 纖維增強壁厚度 mm tr—— 樹脂內襯層壁厚度 mm       國外纏繞玻璃鋼增強聚乙烯（ VPE ）外護管，其性能較 PE 有重大改進，耐熱性達 110℃ ，且電阻率 >1012Ω·m 。 50℃ 許用應力在 7MPa 時，其管壁厚度* PPI 協會 SDR 規范要求。使用壽命達 30 年 [ 見拙文 1998 年第六期《新型建筑材料》 ] 普通直接纏繞的玻璃鋼外護管（ FRP ）因國內各生產廠家技術要求不同而差異很大。表 5 列出主要各廠家管壁厚值。    表 5 幾個主要生產廠玻璃鋼管（ FRP ）壁厚規格。 ( 略 )       從上表可清楚看出，我國用玻璃鋼做外護管的壁厚，剛度大的小管徑管還好，對于 >300mm 規格，特別是 >450mm 管道普遍偏低，均 0.01 ，只有國外引進技術的廠家，正規產品外護管壁厚 ≥0.01 。       壁厚偏薄，要保證長期工作 15 年以上，是潛存有問題的。這也是我國近年玻璃鋼外護管的蒸汽直埋管事故多發的重要原因之一。  

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六、外護管的使用溫度和設計溫度確定   直埋式預制蒸汽保溫管，一個十分突出的問題，即管道安裝，試運吹掃或運行中突然發生保溫管的保溫層進水或是內鋼管（芯管）蒸汽泄漏，使之外護管溫度超過原保溫設計時 50℃ 、 60℃ ，而達 80℃ 、 100℃ 或更高，對管系帶來的嚴重影響，其管道還能否短時間承受這一沖擊，繼續運行的問題。    各種材質的外護管的蒸汽直埋管道，在保溫設計時，通常均按照埋地管外表面溫度（控制溫度） 50℃ ，zui高 ≯65℃ 計算保溫厚度。    因材質不同，實際外護管的使用溫度范圍差別很大。 CJJ/T-114 標準規定 HDPE 為 -50℃ ～ 50℃ ， CJJ/T129 規定 FRP 為 -50℃ ～ 65℃ 。拙文 [ 直埋式預制保溫管外護層材料的分析研究 ] 中已指出：   HDPE 使用范圍是應力、溫度的函數，根據溫度一應力一壽命曲線可查出 [21] ：  30℃ ， 5MPa 時 50 年壽命，隨使用溫度升高，  40℃ ， 5MPa 時 17 年壽命，  50℃ ， 5MPa 時 12 年壽命。   如相應應力減小，相同溫度下其管道的壽命可延長：  40℃ ， 4MPa 時 28 年，  40℃ ， 3MPa 時 >50 年壽命。    增加塑料玻璃鋼 FRP 其屬性也類似，溫度影響頗大，隨溫度升高，強度下降，壽命衰減加速。    實踐和理論計算表明，對塑管和玻璃鋼外護管，將發生隨溫度的升高，材料破壞趨向嚴重，超過材料高溫下長期使用（ 30 ～ 50 年）的許用應力，許用撓度，發生屈曲破壞，管道失效須更換；對鋼質外護管，只要設計結構合理，按 100℃ 或 120℃ 狀態設計，管壁厚度、焊縫強度、滿足此溫度下的使用強度和應力值就可保證管道系統能繼續運行。外護管的防腐層雖有可
能部分老化或破壞，進行修復還可應用。 這也正是鋼質外護管zui突出的優點所在，這點國內多處工程如寧波、洛陽實踐已充分得到證實，其安全性、可靠性和經濟性。  

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 七、結論   1 、直埋式預制蒸汽保溫管的外護管是保溫結構中 — 復雜和極為重要的組成部分，是管系壽命經濟性、安全性、可靠性重要所在。很有必要深入研究和探討。只有充分、全面的認識，科學分析，嚴格的計算，才通正確的設計或選擇。    2 、嚴格遵守工程準則 —— 安全可靠原則，進行材質、結構、應力分析和防腐技術設計，對設計中安全系數（設計系數）要考慮到環境、操作因素的多變性或意外非正常狀態，要留有充分的裕量。    3 、鋼質外護管*其優點，特別是對于采用直埋管道新技術如內固定（位移）支座等，有保證作用。除能進行力的傳遞外，節約土建工程投資，加速施工速度，保證施工質量、作用突出明顯。    4 、為杜絕不應該發生的各種惡性事故，各種類型的外護管壁厚應嚴格規范要求，絕不能降低，隨意減薄。特別是玻璃鋼外護管，應以增強纖維層厚度來做應力計算或分析。鋼外護管其壁厚設計也應考慮非正常 100~120℃ 下許用應力、強度要求。    5 、嚴格控制使用溫度，是保證管道安全運行的根本。具有保護性能的外護管其耐溫程度一定要留有安全余度。鋼外護管 100 ～ 120℃ 下材質強度幾乎無變化，在 <350℃ 材質變化也不大，適用高溫蒸汽直埋管采用。高密度聚乙烯或玻璃鋼外護管超過 50℃ 全都隨著溫度的升高，強度降低，屈曲應力增大，壓縮、彎曲、變形破壞可能性愈大，壽命縮短。特別是相對剛度小而管徑大管道變化尤為突出。