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浅谈钢套钢蒸汽保温钢管补偿与热应力

       从安全角度，人们对蒸气管网的重视远远高过热水管网，事实也的确如此，因而无论是经验丰
富理论精深的专家，还是施工现场的焊工，对焊工探伤的检验人员，莫不谨慎有加，对蒸汽保温管
芯管丝毫不敢造次，但是对直埋保温管钢外壳管，很多人（甚至专家）则不以为然，这就是蒸汽直
埋管网事故因外壳处理不当所占比例居高不下的原因所在。
早期蒸汽保温直埋管钢外壳曾有人设置补偿装置，因较难操作很快就被“无补偿”方式取代，
尽管有了外套管口径大到 1200mm，可是几乎没有听到有人对此担心，和热水保温管不设补偿器尤
其是大于 DN500mm 更不敢不设计补偿器相比，构成了一副有趣的“近不怕水、远不怕鬼”的图象。

蒸汽管道当然泄漏不得，将热力管道管件列入安全监察范围之内，但是读者如果去验算一
下，在工业蒸汽可能达到的力（指管网而非锅炉中）在厚径比小的大口径管中，钢管壁中
的由内压引起的应力也超不过许用应力，蒸汽管网中是一定设置补偿器的，在管道轴向，只受到摩
擦力、弹性反力，大的一项是蒸汽压力引起的封头力，这些力合计引起的轴向应力对钢管材质承
受能力都是微不足道的，轴向热应力研究不是蒸汽管芯管的重要内容，相反，补偿是蒸汽芯管需要
着重探讨的课题[6]，而蒸汽保温管外套管的应力反倒是要认真加以研究的。
（1） 蒸汽直埋保温管外套筒的热应力
根据规范 CJJT 104-2014 《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》要求蒸汽直埋保温管工作温度应
不高于 50℃，这里需要特别强调的是：50℃是对直埋管作保温热工设计需要设计的极限。正常情
况下，外套钢管应不高于 50℃，但是这并不是意味外套管温度不会超过 50℃，架空敷设的蒸汽管
保温层吸水的概率很小，但直埋敷设的情况就两样了，管沟里因雨积水常有发生，南方地区地表浅
层多水，管道泡在水里是很常见的事，稍有不慎管壳的保温层便吸饱水分，保温材料导热系数增加，
一旦管网投入运行，外壳管上的排潮管会有大量蒸汽涌出，外壳管的温度达到 100℃左右，这种情
形在外壳管不严密（制作不严，被破坏开裂）时，在工作管泄漏时也会发生。

浅谈钢套钢蒸汽保温钢管补偿与热应力

        基于上述分析，蒸汽直埋保温管外套管有两个温度值，50℃用来做保温设计，100℃用来作外

套钢管应力计算，顺便提及，外套钢管防腐也应按 100℃考虑。
实践证明：蒸汽保温直埋敷设管道钢外套管在达到 100℃时无补偿是可行的。设计者可以按无
补偿理念处理，但对于三通、弯管、变径、以及补偿器外壳、疏水节等管件，在产品设计和热网设
计中都应严格遵照现行规范标准进行技术处理，防止在高应力下发生破坏。
（2） 蒸汽直埋保温管工作管热补偿
用于蒸汽直埋管网上的补偿装置有如下几种：
1 波纹管补偿器：包括横向拉杆、角向和无推力波纹补偿器；
2 套筒补偿器：包括注入填料套筒补偿器和无推力补偿器；
3 弯管补偿：包括直角弯管、π型弯管；
4 旋转套筒补偿器；
5 球型补偿器；

上述各种装置各有特点，适合不同场合，下面分别介绍：
（a）轴向波纹补偿器：阻力小，无须维护，寿命有限。
适于负荷连续的稳定长距离管线，不适于用户频繁开停的支线。
（b）横向拉杆、角向波纹补偿器：无须维护，寿命有限。
适于转角位置负荷持续稳定管段；不适于频繁开停支线用户。
（c）无推力波纹补偿器；又称压力平衡式波纹补偿器。
价格昂贵，寿命有限，阻力大，不耐汽水冲击。不须维护,无封头力。
适用于封头力有特殊限制的场合，不适于长距离干线，饱和蒸汽管网应慎用。
（d）轴向套筒补偿器，阻力小，寿命长，可靠，需要维护。
适用于长距离管线、支线、不适于于无法提供维护条件的场合。
（e）无推力套筒补偿器，寿命长，可靠，要维护，无封头力，阻力大，昂贵。
适用于对封头力有特殊限制的场合；不适用于长距离干线。
（f）弯管补偿：寿命长、可靠，补偿能力较小。
利用转弯机会进行热补偿，属于必选方式，无适用场合。
（g）π型弯管补偿，寿命长、可靠、阻力大、占地大。
适用于支线，尤其是近热源的支线（有足够的资用压头）负荷频繁波动的食堂、浴室、公建采
暖等用户宜；不宜在干线上采用，占地有限制时不能采用。
（h）旋转套筒补偿器，可靠、寿命长、补偿量大，需要维护，占一定空间。
适用于长距离管线，不适用用于支线。
（i）球型补偿器，与旋转套筒补偿器相似。
4. 结论
（1）对于采暖热水管道，无补偿直埋敷设是成熟的技术，但同时考虑到热网安全性问题且采
用有补偿设计时，设计施工难度增加，建设成本增加，热网安全程度降低，本文建议设置一次性补
偿器，让管道中可能产生的热应力，有一次释放机会然后管网转换成无补偿状态，介质达到温
度时，管道受压应力，介质温度降到时，管道受拉应力，在整个过程中，保证管道不发生屈服，
或者控制在设计的应力限度以下。
（2）对于蒸汽管道，蒸汽保温直埋敷设管道钢外套管在达到 100℃时无补偿是可行的。设计
者可以按无补偿理念处理，但对于三通、弯管、变径、以及补偿器外壳、疏水节等管件，在产品设
计和热网设计中都应严格遵照现行规范标准进行技术处理，防止在高应力下发生破坏。
（3）用于蒸汽直埋管网上的补偿装置多种多样，针对不同的管线，不同的场合，应该采用不
同的补偿装置。