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          收藏 | 供熱管道知識大了解!

          發布時間:2022-06-28 08:21:29 閱讀次數:78

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          在集中供熱管網中,工作管一般使用鋼管。近年來,在二次管網中,用塑料管替代鋼管作工作管正在逐步興起。在供熱行業,塑料管還是一種新型管材,作為工作管材料,塑料管與鋼管的特性不同,管道設計方法有很大差別。


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          供熱管道概念凡是輸送蒸汽或熱水的管道均稱為供熱管道。

          供熱管道的任務將鍋爐生產的熱能,通過蒸汽、熱水等熱媒輸送到室內用熱設備,以滿足生產、生活的需要。




          一、供熱管道的分類

          ①按其管內流動的介質不同可分為蒸汽和熱水管道兩種。
          ②按其工作壓力不同可分為低壓、中壓和高壓管道三種。
          ③按其敷設位置不同可分為室內和室外供熱管道兩種。


          二、供熱管道的特點

          熱水和蒸汽管道最突出的特點就是由于溫度變化所引起的管道熱漲和冷縮。

          安裝時管道的溫度為常溫,初次運行(輸送熱媒)時,由于溫度陡然升高,管道將急劇地伸長,停止運行時,隨著溫度的下降管道也漸漸向回收縮。

          管道熱脹冷縮時,將對其兩端固定點產生很大的推(拉)應力,使管道產生變形甚至支架破壞,因此,安裝供熱管道時應采取措施(設置補償器),消除由于溫度變化而產生的推拉應力。

          對于蒸汽管道而言,除熱脹冷縮之外,還有另一特點:蒸汽在輸送途中,由于散熱等原因將產生凝結水。

          蒸汽管道內的凝結水,對于系統的正常運行極為不利,它不僅使蒸汽的品質變壞,而且會阻礙蒸汽的正常流通,產生水擊和噪聲等。因此,安裝蒸汽管道時應采取措施(設置疏水和排除凝結水的裝置),及時將產生的凝結水排出。


          材料特性

          對于同時承受介質溫度和壓力作用的供熱管道,必須從耐熱性能和機械性能兩個方面滿足工作條件的要求。

          鋼材的機械性能與溫度有關,但與時間無關。在一定工作溫度下,其屈服強度、拉伸強度及許用應力在使用壽命內可以認為是恒定值。

          塑料材料的機械性能與溫度和時間均有關。在高溫作用下,其機械強度逐步下降,產生蠕變(在不變應力作用下,材料不斷產生塑性變形)、松弛(壓緊力自行減少)和高溫氧化(在高溫下產生氧化破壞)等現象。因此塑料管道設計時,必須考慮設計使用壽命末期的機械性能。


          使用條件的確定

          使用條件即管道工作的時間——溫度分布。塑料材料的機械性能與溫度和時間有關,使用條件決定設計應力的數值。因此在確定管道壁厚之前要先確定使用條件。

          根據供熱系統調節曲線,將全年時間劃分為若干階段,列出每個時間段的最高介質溫度,可得到管道工作的時間—溫度分布。有的標準根據應用領域設定了幾種典型系統給出時間—溫度分布,稱為使用條件級別。如果設計的管道運行規律與某一使用條件級別接近,可以直接選用對應的S值。


          常見的使用條件級別表中有關術語解釋如下:

          a.設計溫度。在使用條件級別表中,設計溫度定義為水輸送系統的設計值。按供熱行業的習慣,該溫度為運行調節曲線上的運行溫度,其最大值為供熱行業常用的設計供水溫度。

          b.最高設計溫度。在使用條件級別表中,最高設計溫度定義為僅在短時間內出現的設計溫度的最高值。在供暖系統中,供熱行業常用的設計供水溫度即是最高工作溫度,不存在最高設計溫度;在生活熱水系統中,最高設計溫度可以理解為使用流量變化時供水溫度高于系統設計溫度的數值。

          c.故障溫度。在使用條件級別表中,故障溫度定義為當控制系統出現異常時,可能出現的超過控制極限的最高溫度。

          d.XX溫度的使用時間。時間單位為年或者小時,在管道50年設計使用壽命內各種溫度對應的總的使用時間。這個時間包括供熱時間和非供熱時間,在使用條件級別表中,設計溫度、最高設計溫度和故障溫度的使用時間相加為50年。


          管壁厚度的表示方法

          鋼管的規格一般用 “管徑×壁厚”的方法表示。

          塑料管的壁厚用管系列S或標準尺寸比SDR表示,按下式計算并圓整:

          image.png常用塑料管的規格為S4(SDR9)、S5(SDR11)、S6.3(SDR13.6)、S8(SDR17)。式中dn為公稱外徑;en為公稱壁厚。


          管道壁厚的計算

          國家標準《冷熱水系統用熱塑性塑料管材和管件》GB/T18991-2003中按下式計算最小設計壁厚e:

          image.png

          以上公式變換一下形式即可得到下式:式中σ為設計應力;p為設計壓力。由此可知,管系列S與設計應力和設計壓力的比值相近。

          image.png

          這就是我們常見的鋼管壁厚計算公式,其中設計應力在鋼管計算時稱為許用應力。


          設計應力的確定

          塑料管的設計應力,是指在規定的使用條件下材料的允許應力,即設計使用壽命(50年)末期的材料強度。

          國家標準《冷熱水系統用熱塑性塑料管材和管件》GB/T18991-2003推薦使用Miner’s規則推算,管道材料的破壞時間tx可按下式計算:

          材料在某一溫度連續作用下的破壞時間ti與材料的靜液壓應力(環應力)有關,各種材料均有相應的預測強度曲線,可以查到不同溫度和靜液壓應力(環應力)下的破壞時間。式中ai分別為設計溫度、最高設計溫度、故障溫度的使用時間占總時間的分數(總和為1);ti為材料在各種溫度連續作用下的破壞時間。

          通過上式計算時需要進行試算,步驟如下:

          a.先假設一個設計應力σ;

          b.計算各種溫度對應的靜液壓應力(環應力)σi:

          image.png

          c.根據溫度和σi查相應材料的預測強度曲線,得到對應溫度的破壞時間ti;式中Ci為各種溫度對應的使用系數,即安全系數,考慮使用條件和材料性能,數值不小于1;

          d.帶入式(5)計算材料的破壞時間tx;

          e.重復步驟a~d,經過多次試算,直到tx=50年為止,此時的σ即為設計應力。


          工程設計應用

          設計應力在工程設計中可用于兩種計算,已知設計壓力計算最小壁厚,或已知S值計算最大允許工作壓力。

          a.已知設計壓力計算最小壁厚。將設計壓力和設計應力代入式(3)或式(4)可算出最小壁厚,圓整后選取管系列S值。

          b.已知S值計算最大允許工作壓力。根據式(1)和式(3)得到下式:

          image.png

          室外供熱管道的布置及敷設形式將管系列S值和設計應力代入式(7),可算出管道的最大允許工作壓力。


          一、室外供熱管道的布置

          室外供熱管道的平面布置,應在保證供熱管道安全可靠的運行前提下,盡量節約投資。其布置形式分為樹植狀和環狀兩種。

          環狀避免了樹枝狀的缺點,但是投資大,一般較少采用。


          樹枝狀的優點:

          造價低、運行管理方便。


          樹枝狀的缺點:

          當局部出現故障時,其后的用戶供熱被停止。

          適用:對供熱供應要求不嚴的場合。


           二、室外供熱管道的敷設形式

          分為地上(架空)和地下兩種敷設形式。

          (一)地上架空敷設

          地上架空敷設是將管道安裝在地上的獨立支架或墻、柱的托架上。

          優點:不受地下水位的影響,施工時土方最小,便于維修。

          缺點:占地面積大,熱損耗大,保溫層易損壞,影響美觀。

          按支架的高度不同可分為低、中、高支架三種敷設形式。

          (1)低支架敷設

          這種敷設形式是管底(保溫層底皮)與地面保持0.5~1m的凈距。如下圖所示。 

          (2)中支架敷設

          這種敷設形式適用于有行人和大車通過處,其管底與地面的凈距為2.5~4m。

          (3)高支架敷設

          這種敷設形式適用于交通要道或跨越公路、鐵路,其凈高跨越公路時為4m,跨越鐵路時為6m。如上圖所示。

          (二)地下敷設

          在城市由于規劃和美觀的要求,不允許地上架空敷設時可采取地下敷設。

          地下敷設分為有地溝和無地溝兩種,通常采用有地溝敷設。有地溝敷設又分為通行、半通行和不通行地溝三種。

          (1)通行地溝敷設

          適用于廠區主要干線,管道根數多(一般超過6根)及城市主要街道下。為了檢修人員能在溝內自由行走,地溝的人行道寬>0.7m,高≥1.8m。

          (2)半通行地溝敷設

          適用于2~3根管道且不經常維修的干線。高度能使維修人員在溝內彎腰行走,一般凈高為1.4m,通道凈寬為0.6~0.7m。

          (3)不通行地溝敷設

          適用于經常不需要維修,且管線根數在兩條之內的支線。兩管保溫層外皮間距>100mm,保溫層外皮距溝底120mm,距溝壁和溝蓋下緣>100mm。

          (4)無地溝敷設

          無地溝敷設是將普通管道直接埋在地下土層中。其熱損耗大,防水也難處理。過去,除了原油輸送管道的蒸汽伴熱管采用此種敷設形式外,均不采用無地溝敷設。隨著室外直埋保溫技術的發展,無地溝敷設應用越來越廣泛。

          判斷下面幾種情況屬于哪種敷設形式。


          室外供熱管道的放水和排氣裝置


          一、蒸汽供熱管道的放水和排氣裝置

          (一)蒸汽管道的疏水和排水裝置

          為了保證管道的正常運行,及時地排除管道內的凝結水,蒸汽管道應設置疏水和啟動排水裝置。

          1、蒸汽管道的疏水裝置

          蒸汽管道正常運行時,由于在輸送過程中沿途不斷散熱(熱損耗),蒸汽將產生凝結水。蒸汽干管內的凝結水通過疏水器引至凝結水干管;然后沿其干管送回到鍋爐房的凝結水箱。

          蒸汽管道的疏水裝置應設在下列各處:

          (1)蒸汽管道的各低點;

          (2)垂直升高的管段之前;

          (3)水平管道每隔50m設一個;

          (4)可能凝集凝結水的管道閉塞處。

          蒸汽管道的疏水裝置如下圖所示:

          2、蒸汽管道的啟動排水裝置

          蒸汽管道系統在初次輸送蒸汽(啟動)時,由于蒸汽的溫度高,管道的溫度低,將產生大量(且臟)的凝結水。光靠疏水器排出是不夠的,必須設置單獨的啟動排水裝置,將啟動時排出的水引至集水坑,然后自流或泵送至下水道。

          蒸汽管道的啟動排水裝置應設在下列各處:

          (1)啟動時有可能積水的最低點;

          (2)管道拐彎或垂直升高的管段之前;

          (3)水平管道上,每隔100~150m設一個;

          (4)水平管道上,流量測量裝置的前面。

          (二)蒸汽和凝結水管道的排空氣裝置

          蒸汽管道安裝完畢,管道內充滿著空氣,在管道進行水壓試驗和啟動運行時,需將空氣全部排盡;凝結水管道內也存在著空氣(空氣屬于不凝性氣體),它在管道內容易形成氣塞而阻礙凝結水的流通,因此必須及時地將空氣排除。

          1、蒸汽管道的排空氣裝置

          在蒸汽管道的高點設手動放空氣閥(平時不用),當管道系統進行水壓試驗(向管道內充水)或初次通過蒸汽運行時,利用此閥排出管道系統內的空氣。

          2、凝結水管道的排空氣裝置

          通常在凝結水干管的始端(高點)設自動放空氣閥。若采用不帶排氣閥的疏水器時,在疏水器的前方也應裝設放空氣閥,以便在系統運行過程中能及時地排除凝結水管道內的空氣。


          二、熱水供熱管道的排氣和放水裝置

          熱水供熱管道包括供水和回水兩種管道。在供水和回水管道上均應設置放水和排氣裝置。

          (一)供、回水管道的排空氣裝置

          在供、回水管道上設置排空氣裝置的目的有二:一是防止系統在運行過程中由于空氣的聚集而形成氣塞,阻礙熱水的流通并產生噪聲;二是管道水壓試驗前在向管道內充水時,需用此裝置排出管道內的空氣。如下圖所示。

          排氣裝置包括排氣閥(一般為DN15~DN25)及其前后的短管,其位置通常設在供、回水干管的高點和分段閥之間管段的高點。

          (二)供、回水管道的放水裝置

          在供、回水管道上設置放水閥的目的一是管道水壓試驗后,為防止冬季凍壞管道,利用此裝置將試壓用水全部排盡;二是系統停運檢修時,需用此裝置將檢修段內的水排放凈。

          放水裝置包括放水閥及其前后的短管,放水閥及其短管的直徑為供、回水管徑的1/10并不小于DN20。其位置通常設置在供、回水干管的低點和分段閥之間管段的低點。


          室外地溝內供熱管道安裝

          一、安裝范圍

          室外地溝內供熱管道的安裝范圍,工程上一般是指鍋爐房外墻至用戶外墻或熱力入口處。工程造價上是以建筑外第一個閥門井或建筑物外墻皮1.5m處為分界點。

          二、安裝時管材及閥門的選用

          通常室外蒸汽管道應采用普通無縫鋼管,凝結水和供、回熱水管道一般采用螺紋鋼管(螺旋縫電焊鋼管、螺旋鋼管)。管道拐彎采用煨制或沖壓彎頭,變徑采用沖壓大小頭。閥門通常采用法蘭式截止閥、單向閥。管道采用焊接及法蘭連接。

          與疏水器、排氣閥、放水閥相連接的小直徑管子,一般可采用黑鐵管,成品管件、絲扣或焊接連接。排氣閥、放水閥為絲扣式截止閥。

          三、管道安裝

          (一)支架安裝

          1、支架的種類

           支架由支撐結構和托持結構兩部分組成。支撐結構通常為懸臂式或橫梁式(角鋼或槽鋼)。托持結構稱為支座(座),支架分為:活動支架、導向支架和固定支架三種。

           活動支架:用于允許管道縱、橫向位移的地方。

          固定支架:用于承受管道由于溫度變化所產生的推、拉應力,并不得發生任何方向位移的地方。

           導向支架:用于只允許管道縱向位移的地方。

          2、支架(支座)的安裝位置

           (1)活動支架的安裝位置

          安裝在方形補償器兩側的第一個支架及其水平臂的中點、管道 拐彎處(彎頭)兩側的第一個支架。

           (2)導向支架的安裝位置

          安裝在補償器與固定支架之間的直管段上。

           (3)固定支架的安裝位置

          固定支架安裝在兩補償器之間、熱源出口(靠近外墻)、用戶入口(靠近外墻)等處。

          3、支架(支座)的安裝間距(如下表所示)

          4、支架(支座)的安裝

          支架應先進行制作、除銹、防腐,然后再進行安裝。

          (1)支架(座)的制作

          一般采用角鋼或槽鋼制作支撐結構,用鋼板加工焊制托座。

          (2)支架(座)的除銹

          除銹方法有手工法、機械法、酸洗法和噴砂法等。其中噴砂法除銹效率高、質量好;但要設除塵裝置,否則,在噴砂過程中將產生大量灰塵,污染環境,有害人體健康。

          (3)支架(座)的防腐

          通常涂刷底、面漆各兩遍;底漆為樟(紅)丹防銹漆或鐵紅防銹漆,面漆為調和漆。

          (4)支架(座)安裝

          地溝內供熱管道支架(座)的安裝分兩次進行:第一次在筑溝壁時,將支撐結構(角鋼或槽鋼)預埋好;第二次在鋪設管道時安裝托持結構(托座)。

          (二)鋪設管道

          1、管子的檢查

          管子的名稱、規格、材質應符合設計要求;不得有裂紋、重皮、嚴重銹蝕等缺陷。

          2、管子的除銹

          通常采用噴砂法除銹,將管子外表面的銹污除掉,要求露出金屬光澤面。

          3、管子的防腐

          通常在鋪管之前,將管子外表面噴涂防銹底漆兩遍。為了不影響焊口質量,每節管的兩端各留出約50mm不涂漆。

          4、管段的組對與焊接

          在管溝邊的平地上將管子組對、焊接成適當長度的管段。

          管子的焊接程序為:坡口、對口、點焊和焊接四個步驟。

          5、鋪管與安裝支座

          (1)鋪管

          將組對焊接好的管段,以機械或人工由管溝邊放入溝內的支架上,把管段連接成整條管道。然后將管道就為并調整間距、坡度及坡向。

          (2)安裝支座

          安裝固定支座時,其支座與管道和支架應焊接牢固。

           安裝活動、導向支座時,應考慮管道熱伸后支架中心線與支座中心線不致有較大的偏差。因此,補償器兩側的活動支架和直管段上的導向支座應偏心安裝。其偏心方向以方形補償器的中心點為基準,即補償器左側的支座向其支架中心線的左側偏離;補償器右側的支架向其支架中心線的右側偏離,偏心距離為該支架與固定支架之間管段熱伸長量的1/2(通常取值50mm)如圖所示。

          活動、導向支座與管道焊接;導向支座的導向板與支架焊接。

          (三)補償器機器安裝

          1、補償器的作用

          補償器也稱為伸縮器,其作用為吸收管道因熱漲而伸長的長度;補償因冷縮而回縮的長度。

          2、補償器的種類

          補償器分為自然和人工補償器兩種。自然補償器是供熱管道中的自然拐彎,分為Z形和L形;人工補償器有方形和套筒式補償器兩種。供熱管道通常采用方形補償器。

          方形補償器的優點是管道系統運行時,這種補償器安全可靠,且平時不需要維修,缺點是占地面積較大。

          3、方形補償器的制作

          制作方形補償器時盡量用一根管子煨制而成,若使用2~3根管子煨制時,其接口(焊口)應設在垂直臂的中點。管子的材質應優于或相同于相應管道的管材材質;管子的壁厚,宜厚于相應管道的管材壁厚。

          組對時,應在平臺上進行,四個彎頭均為90°,且在一個平面上。

          4、方形補償器的安裝

          一般情況下,供熱管道自始至終并非所有管段都需要安裝方形補償器。實際工程中,有的管段需要安裝方形補償器;有的管段可不必安裝方形補償器。

          當供熱管道中有自然拐彎(即有Z形、L形自然補償器)時,其彎頭前、后的直管段又較短,可不設方形補償器。

           當供熱管道中無自然拐彎時,應設方形補償器;或者有自然拐彎,但其彎頭前、后的直管段較長,也應在直管段上裝設方形補償器。

          方形補償器應設在兩固定支架之間直管段的中點,安裝時水平放置,其坡度、坡向與相應管道相同。

          為了減小熱態下(運行時)補償器的彎曲應力,提高其補償能力,安裝方形補償器時應進行預拉伸或預撐(即:不加熱進行冷拉或冷撐)。拉伸的方法通常采用拉管器、手動葫蘆,也可以采用千斤頂進行預撐。


          四、供熱管道的壓力試驗

          室外供熱管道安裝完之后,應進行壓力試驗,以檢查其強度和嚴密性。

          1、試壓介質和試驗壓力

          通常采用水壓試驗;其試驗壓力標準為:強度試驗壓力值為工作壓力的1.5倍,嚴密性試驗壓力值等于工作壓力。

          2、試壓前的準備工作

          在被試壓管道的高點設放氣閥,低點設放水閥;始、終端設堵板及壓力表;接好水泵。

          3、試壓

          試壓時,先關閉低點放水閥。打開高點放氣閥,向被試壓管道內充水至滿,排盡空氣后關閉放氣閥,然后以手壓泵緩慢升壓至強度試驗壓力,觀測10分鐘,若無壓力下降或壓降在0.05MPa以內時,降至工作壓力,進行全面檢修,以不滲、漏為合格。


          五、室外供熱管道的保溫

          1、保溫的目的

          供熱管道進行保溫的目的是為了減少熱媒在輸送過程中的熱損失,使熱媒維持一定的參數(壓力、溫度),以滿足生產、生活和采暖的要求。

          2、常用保溫材料

          (1)泡沫混凝土(泡沫水泥)

          由普通水泥加入松香泡沫劑制成,多孔、輕。

          (2)膨脹珍珠巖及其制品

          珍珠巖是火山噴出的玻璃質熔巖,透明,呈圓形似珍珠故得名。將其粉碎,在高溫下焙燒,呈圓形粉末狀,很輕,一般以水泥粘合成瓦狀。

          (3)膨脹蛭石及其制品

          蛭石,云母的風化物。將蛭石在高溫下焙燒,呈一層層的小塊狀,褐色,很輕,將其以水泥粘合成瓦狀。

           (4)礦渣棉

          礦渣棉有礦渣制成,灰色,呈短纖維狀,很輕,刺人。

          (5)玻璃棉

          將玻璃在高溫下熔化,再以高壓蒸汽噴射抽絲而成,呈纖維狀,很輕,刺人。

          (6)巖棉

          由巖石在高溫下焙燒制成。呈纖維狀,很輕。

          3、供熱管道的保溫結構

           供熱管道的保溫結構如圖所示。由內向外是防腐層、保溫層、保護層和色漆(或冷底子油)。 

          通常防腐層為底漆(樟丹或鐵紅防銹漆)兩遍,不涂刷面漆。保溫層有選定的保溫材料組成。保護層分為石棉水泥、瀝青玻璃絲布兩種。明裝的供熱管道,為了表示管內輸送介質的性質,一般是在保護層外涂上色漆。地溝內的供熱管道為了防止濕氣侵入保溫層,不涂色漆而涂刷冷底子油。

          4、供熱管道的保溫

          地溝內供熱管道的保溫施工程序為:防腐層、保溫層、保護層和涂刷冷底子油。

          (1)涂刷防腐層

          管道在鋪設之前已涂刷底漆兩遍。此次應將接口(焊口)、彎頭和方形補償器等處涂刷底漆兩遍。鋪管時若管身漆面有損傷處,也應予以補刷。

          (2)保溫層施工

          保溫層的施工有預制瓦砌筑、包扎、填充、澆灌和手工涂抹等五種方法。

           其中最常用的是第一種方法。

          預制瓦砌筑法,是用選定的保溫材料先預制成瓦狀。環繞管子一周保溫瓦的塊數,根據管徑大小不同分為2~8塊,瓦的厚度按設計規定,一般設計厚度有50、75、100mm;每塊瓦的長度約為500mm。施工時將預制瓦砌筑在管道的外表面,縱、橫接縫應錯開,縫內填石棉灰泥,每塊瓦的兩端以直徑1~2mm的鐵絲捆扎。當管徑DN≥150mm時,保溫層外包一層鐵絲網。

          在管道的彎頭處應留伸縮縫,縫內填石棉繩。在閥門、法蘭等處可采用涂抹法施工。

          (3)保護層施工

          一般為石棉水泥保護層,其質量配比為:525號水泥53%,膨脹珍珠巖粉25%,四級石棉9%,碳酸鈣13%,加水調和。

          涂抹厚度10~15mm,要求厚度一致,光滑美觀,底部不得出現鼓包。

          (4)涂刷冷底子油

          冷底子油是將瀝青熔化,待冷卻到100℃以下時,加入適量的汽油(瀝青與汽油的質量比為1.2:2.5)拌和均勻。刷漆時,動作要快,要求均勻美觀。



          文章來源:熱電與新能源產業

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