直埋蒸汽管道保温结构计算

作者：孙枫然，王卓胤

第一作者单位：中国市政工程华北设计研究总院有限公司 第六设计研究院

摘自《煤气与热力》2019年1月刊

1 概述

近年来直埋蒸汽管道敷设在供热工程中得到了越来越多的应用，随着供热规模的发展，对直埋蒸汽管道的造价控制、减少散热损失也提出了严格要求。直埋蒸汽管道保温结构直接关系到温度降、散热损失以及工程造价等。本文将对多个直埋蒸汽管道保温方案进行经济技术比较。

2 保温材料特性

目前国内直埋蒸汽管道保温材料主要有以下几种：传统保温材料微孔硅酸钙、超细离心玻璃棉毡和新型保温材料气凝胶绝热毡等。3种保温材料性能对比见表1^［1-3］。

表1 3种保温材料性能对比

3 保温方案

本文以北方某电厂室外直埋蒸汽管道为例进行讨论。工作钢管外直径为820 mm，蒸汽温度为300 ℃。

本工程直埋蒸汽管道的保温结构^［4］有以下3种方案：

方案1：气凝胶绝热毡+超细离心玻璃棉毡+空气层复合保温结构；

方案2： 超细离心玻璃棉毡+空气层复合保温结构；

方案3：微孔硅酸钙+聚氨酯复合保温结构。

方案1为外滑动型式，此种保温结构形式设计思路来自于热力管沟，在外护管内设置支架，使工作钢管及其相应的保温材料与外护管之间产生滑动（即外滑动），形成“钢管沟”的构造。这种保温结构形式的特点是：工作钢管与保温材料之间紧密接触，工作钢管通过支架支撑在外护管内，使支架在外护管内部产生滑动。保温结构中20 mm的空气层，既起到保温作用，又是排潮的良好通道。

方案2也是外滑动型式，只是将方案1中气凝胶绝热毡+超细离心玻璃棉毡复合保温结构变为单层的超细离心玻璃棉毡。与方案1相比，由于超细离心玻璃棉毡热导率大于气凝胶绝热毡，因此，保温层厚度与外护管外直径比方案1增大。

方案3为内滑动型式，该种结构形式设计思路来自于热水预制保温管，一般在工作钢管外表面与保温结构内层之间有厚度为5 mm的减阻层，与工作钢管牢固地连成一体，其材质为耐高温的硅酸铝毡，保温结构内层为耐温较高的微孔硅酸钙，外层为聚氨酯。这种保温结构形式的特点是：工作钢管与内层微孔硅酸钙之间产生滑动（即内滑动），微孔硅酸钙与外护管之间采用聚氨酯材料将其粘结为一体。此种结构型式的缺点在于：微孔硅酸钙要承受工作钢管的荷重。

4 保温层厚度计算及经济技术比较

保温层厚度及外护管规格的计算方法执行CJJ/T 104—2014《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》（以下简称CJJ/T 104—2014）。根据CJJ/T 104—2014第6.1.5条的规定，在计算保温层厚度的过程中，应控制外护管外表面温度不大于50 ℃。同时根据GB/T 8174—2008《设备及管道绝热效果的测试与评价》（以下简称GB/T 8174—2008）第9.1.4条，常年运行的直埋蒸汽管道外表面温度≤50 ℃时，允许最大单位面积散热损失为52 W/m²。

本文计算以方案1为例，方案2和方案3的计算方法同方案1，计算过程不再详细列出。

4.1 保温材料热导率计算及选取

④聚氨酯

根据GB/T 29047—2012《高密度聚乙烯外护管硬质聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管及管件》第5.4.8条，聚氨酯的热导率λd取0.033 W/（m·K）。

⑤空气层

空气层等效热导率λair参照文献［5］，取0.024 W/（m·K）。

4.2 单位长度初算散热损失计算

4.3 保温层厚度计算

①第1层

对于方案1，第1层保温材料为气凝胶绝热毡，其厚度根据CJJ/T 104—2014第6.4.1条的公式（6.4.1-4）、（6.4.1-5）进行计算：

4.4 热阻计算

4.5 单位长度散热损失校核计算

4.6 单位长度散热损失相对差值计算

4.7 保温层外表面校核温度计算

4.8 单位面积散热损失计算

4.9 计算过程

①已知参数：D₀=0.82m，t₀=300℃，t_en=10℃，λ_en=1.1 W/（m·K），λ_air=0.024 W/（m·K），h=1.5m。气凝胶绝热毡层厚度δ₁=0.03m，δ_air=0.02m。

②设定t_1，s=230 ℃。将t₀及设定的t_1，s代入公式（7），得到t_c=265℃，将t_c代入公式（3），得到λ₁=0.0232 W/（m·K）。

③设定t_2，s=85℃。将设定的t_1，s和t_2，s代入公式（10），得到t_a=157.5 ℃，将t_a代入公式（1），得到λ₂=0.056 W/（m·K）。

④根据经验初设最外层保温层外直径D_ws=1.098 m，设定t_ws=50 ℃。将D_ws、t_ws、t_en、λ_en和h代入公式（4），得到单位长度初算散热损失q_cs=162.7 W/m。

⑤将D₀和δ₁代入公式（6），得到D₁=0.88 m；取D_out=D_ws=1.098 m，将D_out和δ_air代入公式（11），得到D₂=1.058 m。

⑥将D₁、D₂、D_out、λ_air、λ_en和h代入公式（12）～（15），计算得到单位长度校核散热损失q_jh= 193.2 W/m和D_w=1.12 m。

⑦根据CJJ/T 104—2014第6.4.1条的要求，单位长度散热损失相对差值的绝对值︱δ_h｜≤5%，将q_jh、q_cs代入公式（16）进行计算，得︱δ_h｜为18.7%，不满足要求，应重新设定D_ws，代入公式（4）计算q_cs。

⑧重新设定最外层保温层外直径D_ws=1.196 m，返回步骤④～⑦重新计算，可得q_cs=171.3 W/m，D₂=1.156 m，D_w=1.22 m，q_jh=168.6 W/m。将q_jh、q_cs进行比较，︱δ_h｜为1.6%，满足CJJ/T 104—2014第6.4.1条的要求。

⑨将D₀、D₁、D₂、λ₁、λ₂、t₀和q_jh代入公式（17）和（18），计算得到保温层外表面校核温度t₁=218 ℃，t₂=87 ℃，与所设定的t_1，s和 t_2，s有一定的差距，应重新设定t_1，s和 t_2，s。

⑩重新设定t_1，s=218 ℃、t_2，s=87 ℃，返回步骤②～⑦和⑨重新计算，可得t_c=259 ℃，t_a=152.5 ℃，λ₁=0.023 W/（m·K），λ₂=0.055 W/（m·K），q_cs=171 W/m，q_jh= 167 W/m，t₁=218 ℃，t₂=87 ℃。将q_jh、q_cs进行比较，︱δ_h｜为2.6%，满足CJJ/T 104—2014第6.4.1条的要求。t₁和t₂计算结果与所设定的t_1，s和t_2，s均一致。

将D₀、D₁、D₂、D_w、λ₁、λ₂、t₀和q_jh代入公式（19）和（20），计算外护管外表面校核温度t_w和单位面积散热损失q_mj，可得t_w=49 ℃，q_mj=44 W/m²，满足CJJ/T 104—2014第6.1.5条和GB/T 8174—2008第9.1.4条的要求。

4.10 材料价格

由于方案3中减阻层厚度较小，因此，方案比较中忽略方案3中减阻层造价，同时为了便于计算分析，忽略直埋蒸汽管道土建造价及外护管的焊接、探伤以及防腐造价。由于3种方案工作钢管外直径相同，因此，方案比较中不考虑工作钢管造价，仅对外护管及保温材料进行造价比较。

本方案外护管管材为螺旋缝焊接钢管，螺旋缝焊接钢管价格为5 000 元/t，气凝胶绝热毡价格为12 000元/m³，超细离心玻璃棉毡价格为800 元/m³，微孔硅酸钙价格为470 元/m³，聚氨酯价格为650 元/m³。

4.11 计算结果

经上述公式计算，直埋蒸汽管道保温方案对比见表2， 单位长度外护管及保温材料工程造价比较见表3。表2及表3中“—”表示无此项数据。

表2 直埋蒸汽管道保温方案对比

表3 单位长度外护管及保温材料工程造价比较

由于气凝胶绝热毡热导率最低，因此，采用气凝胶绝热毡保温层厚度最小，外护管外直径最小，既减少了保温材料的使用量，又减少了外护管钢材的使用量，同时减少了直埋蒸汽管道占用的空间。由表3可见，方案1造价位于中等水平，如果考虑土建造价及外护管的焊接、探伤以及防腐造价，方案1与方案2的造价之差应进一步降低。因此，综合技术及经济比较，方案1的优势是比较明显的。

参考文献：

［1］董相禄，倪明，罗旭光，等.二氧化硅气凝胶毡在直埋蒸汽管的应用［J］.煤气与热力，2017，37（11）：A10-A13.

［2］高永军.蒸汽管保温结构优化设计［J］.煤气与热力，2017，37（10）：A09-A11.

［3］董志军，颜家保，涂红兵，等.二氧化硅气凝胶隔热复合材料的制备与应用［J］.化工新型材料，2005（3）：46-48，68.

［4］胡静，喻凡，毛煜东，等. SiO₂气凝胶绝热材料传热模型及导热性能研究［J］.山东建筑大学学报，2018（3）：38-43.

［5］《动力管道设计手册》编写组.动力管道设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2006：648-649.