淺析鋼套鋼蒸汽保溫管固定節(jié)的絕熱

        鋼套鋼保溫鋼管是一種防水、防漏、抗?jié)B、抗壓和全封閉的埋設(shè)新技術(shù)，是直埋敷設(shè)技術(shù)在地下水位較高地區(qū)使用的一次較大突破。直埋管道的保護(hù)管的首要問題是嚴(yán)密防水的可靠性，此外要有良好的機(jī)械強(qiáng)度，鋼套管由于強(qiáng)度高采用焊接連接，防水的密封性能可靠性十分高，另外，其耐高溫性能也是其它外保護(hù)管所不能比擬的。在地下水位高的地區(qū)，為保證地下水不影響蒸汽直埋管道的正常運(yùn)行，外保護(hù)層采用堅(jiān)固、密閉的。安裝技術(shù)相對較高。因?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)的繁瑣性，同比而言也增大了暖通工程中管道施工技術(shù)的要求，當(dāng)前暖通工程技術(shù)已經(jīng)越來越難以適應(yīng)日新月異的現(xiàn)代暖通工程的管道安裝標(biāo)準(zhǔn)，如不宜提高其相應(yīng)技術(shù)手段，勢必加強(qiáng)暖通工程的安全隱患。螺旋鋼管作液體輸送用：給水，排水。作氣體輸送用：煤氣，蒸氣，液化石油氣。作結(jié)構(gòu)用：作打樁管，作橋梁，碼頭，道路，建筑結(jié)構(gòu)用管等。

1   概述

在供熱工程的設(shè)計(jì)與施工中，經(jīng)常遇到直埋熱水管道固定節(jié)絕熱問題。通常采用非絕熱固定節(jié)，具體做法是，固定節(jié)與直埋熱水管道焊接在一起，然后澆筑于鋼筋混凝土里而共同組成固定墩。往往固定節(jié)不采取絕熱措施而形成熱橋，那么，直埋熱水管道內(nèi)高溫水（溫度≤130 ℃）的熱量直接傳至固定墩，造成固定墩的混凝土變酥、干裂。在地下水位較高、腐蝕性較強(qiáng)的地區(qū)，地下水很容易通過裂縫滲透進(jìn)固定墩，進(jìn)而腐蝕固定節(jié)處管道的焊縫，造成管道泄漏，影響固定墩及直埋熱水管道的使用壽命，且維護(hù)難度較大。

為了保障固定墩安全、穩(wěn)定、長期運(yùn)行，避免產(chǎn)生熱橋，近年來，人們以直埋熱水管道的固定墩為研究對象，不斷尋求更加合理的設(shè)計(jì)、施工方案，以減少直埋熱水管道固定墩的散熱損失［1-3］。本文對直埋熱水管道固定節(jié)絕熱問題進(jìn)行探討，給出一種能夠阻斷熱橋的設(shè)計(jì)方案。

2   固定節(jié)處熱橋產(chǎn)生的原因

2.1  熱橋

熱橋是指建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中材料組成或形狀與正常部位相比有所不同的部位，例如嵌入墻體的混凝土、柱、墻體和屋面板內(nèi)的混凝土肋，裝配式建筑中板材接縫以及窗口、墻角、屋頂檐口、墻體勒腳等［4］。這些部位由于傳熱系數(shù)比周圍的材料傳熱系數(shù)大，在室內(nèi)外溫差的作用下，形成較大熱流密度的區(qū)域，成為傳熱較多的橋梁，故稱為熱橋。由于熱橋存在而產(chǎn)生的各種冷熱不均勻現(xiàn)象，稱為熱橋效應(yīng)。

2.2  非絕熱固定節(jié)結(jié)構(gòu)

直埋熱水管道結(jié)構(gòu)主要由鋼管、保溫層（聚氨酯）、外護(hù)管（高密度聚乙烯）組成。非絕熱固定節(jié)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1   非絕熱固定節(jié)結(jié)構(gòu)

固定節(jié)在生產(chǎn)廠家預(yù)制而成，長度為2~3 m，主要由保溫管、固定鋼板、加強(qiáng)肋板組成。管道兩端預(yù)留一段不做保溫層，通過焊接與直埋熱水管道連接在一起。

2.3  非絕熱固定節(jié)熱橋產(chǎn)生的原因

固定鋼板直接焊接到直埋熱水管道的鋼管上，鋼管內(nèi)是溫度≤130 ℃的熱水，熱水與鋼管、固定鋼板接觸傳熱，其傳熱系數(shù)比周圍保溫層（聚氨酯）的傳熱系數(shù)大，在直埋熱水管道內(nèi)熱水與管道外環(huán)境（一般按10 ℃考慮）的溫差（約120 ℃）作用下，形成固定鋼板處較大的熱流密度，固定鋼板成為熱橋。由此而形成直埋熱水管道熱量損失較大的關(guān)鍵部位，產(chǎn)生固定節(jié)熱橋效應(yīng)，影響固定墩以及直埋熱水管道的長期穩(wěn)定運(yùn)行。需要指出的是，加強(qiáng)肋板不是熱橋，因?yàn)槔甙迨锹裨诒貙樱ň郯滨ィ﹥?nèi)，保溫層阻斷了熱量的傳遞，可以保證加強(qiáng)肋板不形成熱橋。

固定墩由鋼筋混凝土澆筑而成，鋼筋混凝土的熱導(dǎo)率一般為1.28 W/（m·K）；直埋熱水管道所用的保溫層（聚氨酯）的熱導(dǎo)率在0.018~0.024 W/（m·K）范圍；不同鋼材的熱導(dǎo)率在13.7~43.6 W/（m·K）范圍?？梢?，鋼筋混凝土的熱導(dǎo)率與聚氨酯的熱導(dǎo)率相差兩個數(shù)量級，較多的熱量從固定節(jié)的固定鋼板處傳至固定墩，增加了直埋熱水管道的散熱損失。

3   阻斷固定節(jié)熱橋的基本要求

根據(jù)文獻(xiàn)中的混凝土熱導(dǎo)率計(jì)算公式［5-6］，采用CFD軟件進(jìn)行建模并數(shù)值求解，得到固定墩及其周圍土壤的溫度場分布情況。結(jié)果是：固定墩處的散熱量較大，熱橋效應(yīng)比較明顯。一個固定墩的散熱量約為13.5 m直埋熱水管道的散熱量［7］。因此，需要進(jìn)一步研究阻斷熱橋的方法。

為了阻斷熱橋，需要對固定節(jié)采取絕熱措施，需要考慮如下問題：

①所選用的方法必須具有良好的絕熱性能，有效地阻斷熱橋。

②固定節(jié)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合直埋熱水管道軸向推力要求，即所選用的絕熱材料的抗壓強(qiáng)度必須滿足固定墩穩(wěn)定運(yùn)行的抗壓強(qiáng)度要求。

4   絕熱固定節(jié)

4.1  絕熱固定節(jié)做法

固定節(jié)絕熱的基本方法就是在固定鋼板外加絕熱材料，以阻斷固定鋼板成為熱橋。目前所用的固定節(jié)絕熱做法主要由兩部分組成。第一部分：在固定鋼板外加一層10 mm厚的石棉絕熱板，石棉絕熱板要做成和固定鋼板相同的形狀（方形或者圓形），套在固定鋼板上。第二部分：在石棉絕熱板外加緊固層，本文采用鋼制緊固層，鋼制緊固層要緊密排列在石棉絕熱板的四周，根據(jù)固定鋼板和石棉絕熱板（方形或者圓形，厚度為30~60 mm）的大小設(shè)計(jì)鋼制緊固層的大小，使其包圍石棉絕熱板，接縫采用焊接。最后將絕熱固定節(jié)澆筑到鋼筋混凝土里，使其成為一個整體（即固定墩）。絕熱固定節(jié)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2   絕熱固定節(jié)結(jié)構(gòu)

4.2   絕熱固定節(jié)特性分析

固定節(jié)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合直埋熱水管道軸向推力的要求。固定墩抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)要滿足管道的最大軸向推力的要求。因此，固定節(jié)絕熱結(jié)構(gòu)整體的抗壓強(qiáng)度也要滿足固定墩穩(wěn)定運(yùn)行抗壓強(qiáng)度的要求。

4.2.1 石棉絕熱板特性

石棉絕熱板是以石棉為主要材料，摻入一定的粘結(jié)填充材料而制成的板狀材料，其密度為80~140 kg/m3。

石棉絕熱板具有如下特性：

①低熱導(dǎo)率。使用溫度≤1 000 ℃時，熱導(dǎo)率僅為0.13~0.15 W/（m·K）。

②石棉絕熱板抗壓強(qiáng)度高，并具有良好的韌性。

③優(yōu)良的抗震性及熱穩(wěn)定性。

④具有良好的防腐蝕性，且價格低廉［8］。

石棉絕熱板的熱導(dǎo)率低，有效地阻斷了熱橋，能更好地發(fā)揮絕熱作用。直埋熱水管道穿越固定節(jié)處，固定鋼板對固定墩產(chǎn)生局部壓應(yīng)力［9］，與固定鋼板緊密接觸的石棉絕熱板及緊固層鋼板也受到局部壓應(yīng)力。固定墩的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值由GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定為14.3 MPa。工程實(shí)踐中，預(yù)制絕熱固定節(jié)滿足該抗壓強(qiáng)度要求，即能滿足固定墩的抗壓要求。

4.2.2 緊固層材料

固定節(jié)絕熱結(jié)構(gòu)的緊固層的作用就是將石棉絕熱板緊緊地固定在固定鋼板上。目前探討的可以作為緊固層的材料有3種。第1種是聚乙烯，將聚乙烯制作成一個同固定鋼板形狀相同的圓形或者方形的緊固套，將其緊緊地套在石棉絕熱板外，然后澆筑到鋼筋混凝土里，使其成為一個整體。但是，聚乙烯的抗壓強(qiáng)度只有4 MPa，將其埋在固定墩里，可能會被壓壞。第2種是聚四氟乙烯，做法同聚乙烯類似。雖然聚四氟乙烯具有良好的抗壓強(qiáng)度（約25 MPa），但是，其價格昂貴。另外，聚四氟乙烯本身就是絕熱材料，如果使用聚四氟乙烯作為絕熱材料，就可以省去石棉絕熱板。第3種就是本文所用的鋼制緊固層，其抗壓強(qiáng)度大，制作簡單，價格也較為合理，已逐步應(yīng)用于供熱工程實(shí)踐。

4.3  絕熱固定節(jié)的運(yùn)行效果

天津塘沽某一級直埋熱水管網(wǎng)改造工程自2010年以來，就不斷用絕熱固定節(jié)替代非絕熱固定節(jié)，作為固定墩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

由于天津塘沽地區(qū)地下水位較高，氯離子含量高，地下水腐蝕性強(qiáng)，以前固定墩損壞嚴(yán)重，造成直埋熱水管道泄漏。分析其原因?yàn)?，直埋熱水管網(wǎng)采用非絕熱固定節(jié)，產(chǎn)生了熱橋效應(yīng)，使固定墩開裂、變酥，地下水腐蝕鋼筋混凝土而造成固定墩失去穩(wěn)定性，進(jìn)而產(chǎn)生管道泄漏。設(shè)計(jì)人員改用絕熱固定節(jié)后，根據(jù)管網(wǎng)近5年運(yùn)行情況，沒有再出現(xiàn)固定墩變酥、干裂以致管道泄漏的現(xiàn)象。從管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行的效果看，絕熱固定節(jié)能夠提高管網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。

4.4  方案的優(yōu)點(diǎn)

①從結(jié)構(gòu)力學(xué)上看，絕熱固定節(jié)能夠滿足固定墩的穩(wěn)定性要求，且抗壓強(qiáng)度高，絕熱性能好，防腐性能好，韌性良好且價格低廉。

②絕熱固定節(jié)能夠有效地阻斷熱橋，既減少了對固定墩的損壞，增加了固定墩的使用壽命，又減少了直埋熱水管道的散熱損失，從而降低了整個直埋熱水管道的輸送能耗，對直埋供熱管道的長期穩(wěn)定運(yùn)行起到積極的作用。

5   結(jié)論

①本文給出了阻斷固定節(jié)處熱橋的一種方法，并分析了該方法阻斷熱橋的機(jī)理。

②通過直埋熱水管道運(yùn)行效果分析，得到該絕熱固定節(jié)方案能夠阻斷熱橋，延長固定墩的使用壽命。