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供热管道新了解
作者:刘烨 时间:2019-08-15 11:23 点击:

供热管道新了解



在集中供热管网中,工作管一般使用钢管。近年来,在二次管网中,用塑料管替代钢管作工作管正在逐步兴起。在供热行业,塑料管还是一种新型管材,作为工作管材料,塑料管与钢管的特性不同,管道设计方法有很大差别。

供热管道概念:凡是输送蒸汽或热水的管道均称为供热管道。供热管道的任务:将锅炉生产的热能,通过蒸汽、热水等热媒输送到室内用热设备,以满足生产、生活的需要。

一、供热管道的分类

Ø按其管内流动的介质不同可分为蒸汽和热水管道两种。

Ø按其工作压力不同可分为低压、中压和高压管道三种。

Ø按其敷设位置不同可分为室内和室外供热管道两种。

二、供热管道的特点

热水和蒸汽管道最突出的特点就是由于温度变化所引起的管道热涨和冷缩。

安装时管道的温度为常温,初次运行(输送热媒)时,由于温度陡然升高,管道将急剧地伸长,停止运行时,随着温度的下降管道也渐渐向回收缩。管道热胀冷缩时,将对其两端固定点产生很大的推(拉)应力,使管道产生变形甚至支架破坏,因此,安装供热管道时应采取措施(设置补偿器),消除由于温度变化而产生的推拉应力。对于蒸汽管道而言,除热胀冷缩之外,还有另一特点:蒸汽在输送途中,由于散热等原因将产生凝结水。蒸汽管道内的凝结水,对于系统的正常运行极为不利,它不仅使蒸汽的品质变坏,而且会阻碍蒸汽的正常流通,产生水击和噪声等。因此,安装蒸汽管道时应采取措施(设置疏水和排除凝结水的装置),及时将产生的凝结水排出。

 

材料特性

 

对于同时承受介质温度和压力作用的供热管道,必须从耐热性能和机械性能两个方面满足工作条件的要求。钢材的机械性能与温度有关,但与时间无关。在一定工作温度下,其屈服强度、拉伸强度及许用应力在使用寿命内可以认为是恒定值。塑料材料的机械性能与温度和时间均有关。在高温作用下,其机械强度逐步下降,产生蠕变(在不变应力作用下,材料不断产生塑性变形)、松弛(压紧力自行减少)和高温氧化(在高温下产生氧化破坏)等现象。因此塑料管道设计时,必须考虑设计使用寿命末期的机械性能。

 

使用条件的确定

 

使用条件即管道工作的时间——温度分布。塑料材料的机械性能与温度和时间有关,使用条件决定设计应力的数值。因此在确定管道壁厚之前要先确定使用条件。根据供热系统调节曲线,将全年时间划分为若干阶段,列出每个时间段的最高介质温度,可得到管道工作的时间—温度分布。有的标准根据应用领域设定了几种典型系统给出时间—温度分布,称为使用条件级别。如果设计的管道运行规律与某一使用条件级别接近,可以直接选用对应的S值。常见的使用条件级别表中有关术语解释如下:
 

a.设计温度。在使用条件级别表中,设计温度定义为水输送系统的设计值。按供热行业的习惯,该温度为运行调节曲线上的运行温度,其最大值为供热行业常用的设计供水温度。

b.最高设计温度。在使用条件级别表中,最高设计温度定义为仅在短时间内出现的设计温度的最高值。在供暖系统中,供热行业常用的设计供水温度即是最高工作温度,不存在最高设计温度;在生活热水系统中,最高设计温度可以理解为使用流量变化时供水温度高于系统设计温度的数值。

c.故障温度。在使用条件级别表中,故障温度定义为当控制系统出现异常时,可能出现的超过控制极限的最高温度。

d.XX温度的使用时间。时间单位为年或者小时,在管道50年设计使用寿命内各种温度对应的总的使用时间。这个时间包括供热时间和非供热时间,在使用条件级别表中,设计温度、最高设计温度和故障温度的使用时间相加为50年。

 

管壁厚度的表示方法

 

钢管的规格一般用 “管径×壁厚”的方法表示。塑料管的壁厚用管系列S或标准尺寸比SDR表示,按下式计算并圆整:

(1)

(2)

式中dn为公称外径;en为公称壁厚。常用塑料管的规格为S4(SDR9)、S5(SDR11)、S6.3(SDR13.6)、S8(SDR17)。


管道壁厚的计算

 

国家标准《冷热水系统用热塑性塑料管材和管件》GB/T18991-2003中按下式计算最小设计壁厚e:

(3)

式中σ为设计应力;p为设计压力。由此可知,管系列S与设计应力和设计压力的比值相近。以上公式变换一下形式即可得到下式:

(4)

这就是我们常见的钢管壁厚计算公式,其中设计应力在钢管计算时称为许用应力。

 

设计应力的确定

 

塑料管的设计应力,是指在规定的使用条件下材料的允许应力,即设计使用寿命(50年)末期的材料强度。国家标准《冷热水系统用热塑性塑料管材和管件》GB/T18991-2003推荐使用Miner’s规则推算,管道材料的破坏时间tx可按下式计算:

(5)

式中ai分别为设计温度、最高设计温度、故障温度的使用时间占总时间的分数(总和为1);ti为材料在各种温度连续作用下的破坏时间。

材料在某一温度连续作用下的破坏时间ti与材料的静液压应力(环应力)有关,各种材料均有相应的预测强度曲线,可以查到不同温度和静液压应力(环应力)下的破坏时间。通过上式计算时需要进行试算,步骤如下:

a.先假设一个设计应力σ;

b.计算各种温度对应的静液压应力(环应力)σi:

(6)

式中Ci为各种温度对应的使用系数,即安全系数,考虑使用条件和材料性能,数值不小于1;

c.根据温度和σi查相应材料的预测强度曲线,得到对应温度的破坏时间ti;

d.带入式(5)计算材料的破坏时间tx;

e.重复步骤a~d,经过多次试算,直到tx=50年为止,此时的σ即为设计应力。


工程设计应用

 

设计应力在工程设计中可用于两种计算,已知设计压力计算最小壁厚,或已知S值计算最大允许工作压力。

a.已知设计压力计算最小壁厚。将设计压力和设计应力代入式(3)或式(4)可算出最小壁厚,圆整后选取管系列S值。

b.已知S值计算最大允许工作压力。根据式(1)和式(3)得到下式:

(7)

将管系列S值和设计应力代入式(7),可算出管道的最大允许工作压力。
 

室外供热管道的布置及敷设形式
一、室外供热管道的布置

室外供热管道的平面布置,应在保证供热管道安全可靠的运行前提下,尽量节约投资。其布置形式分为树植状和环状两种。环状避免了树枝状的缺点,但是投资大,一般较少采用。

树枝状的优点:

造价低、运行管理方便。

树枝状的缺点:

当局部出现故障时,其后的用户供热被停止。适用:对供热供应要求不严的场合。

 二、室外供热管道的敷设形式

分为地上(架空)和地下两种敷设形式。

(一)地上架空敷设

地上架空敷设是将管道安装在地上的独立支架或墙、柱的托架上。

优点:不受地下水位的影响,施工时土方最小,便于维修。

缺点:占地面积大,热损耗大,保温层易损坏,影响美观。

按支架的高度不同可分为低、中、高支架三种敷设形式。

(1)低支架敷设

这种敷设形式是管底(保温层底皮)与地面保持0.5~1m的净距。如下图所示。 

(2)中支架敷设

这种敷设形式适用于有行人和大车通过处,其管底与地面的净距为2.5~4m。

(3)高支架敷设

这种敷设形式适用于交通要道或跨越公路、铁路,其净高跨越公路时为4m,跨越铁路时为6m。如上图所示。

(二)地下敷设

在城市由于规划和美观的要求,不允许地上架空敷设时可采取地下敷设。地下敷设分为有地沟和无地沟两种,通常采用有地沟敷设。有地沟敷设又分为通行、半通行和不通行地沟三种。

(1)通行地沟敷设

适用于厂区主要干线,管道根数多(一般超过6根)及城市主要街道下。为了检修人员能在沟内自由行走,地沟的人行道宽>0.7m,高≥1.8m。

(2)半通行地沟敷设

适用于2~3根管道且不经常维修的干线。高度能使维修人员在沟内弯腰行走,一般净高为1.4m,通道净宽为0.6~0.7m。

(3)不通行地沟敷设

适用于经常不需要维修,且管线根数在两条之内的支线。两管保温层外皮间距>100mm,保温层外皮距沟底120mm,距沟壁和沟盖下缘>100mm。

(4)无地沟敷设

无地沟敷设是将普通管道直接埋在地下土层中。其热损耗大,防水也难处理。过去,除了原油输送管道的蒸汽伴热管采用此种敷设形式外,均不采用无地沟敷设。随着室外直埋保温技术的发展,无地沟敷设应用越来越广泛。

判断下面几种情况属于哪种敷设形式。

第三节  室外供热管道的放水和排气装置

一、蒸汽供热管道的放水和排气装置

(一)蒸汽管道的疏水和排水装置

为了保证管道的正常运行,及时地排除管道内的凝结水,蒸汽管道应设置疏水和启动排水装置。

1、蒸汽管道的疏水装置

蒸汽管道正常运行时,由于在输送过程中沿途不断散热(热损耗),蒸汽将产生凝结水。蒸汽干管内的凝结水通过疏水器引至凝结水干管;然后沿其干管送回到锅炉房的凝结水箱。蒸汽管道的疏水装置应设在下列各处:

(1)蒸汽管道的各低点;

(2)垂直升高的管段之前;

(3)水平管道每隔50m设一个;

(4)可能凝集凝结水的管道闭塞处。

蒸汽管道的疏水装置如下图所示:

2、蒸汽管道的启动排水装置

蒸汽管道系统在初次输送蒸汽(启动)时,由于蒸汽的温度高,管道的温度低,将产生大量(且脏)的凝结水。光靠疏水器排出是不够的,必须设置单独的启动排水装置,将启动时排出的水引至集水坑,然后自流或泵送至下水道。

蒸汽管道的启动排水装置应设在下列各处:

(1)启动时有可能积水的最低点;

(2)管道拐弯或垂直升高的管段之前;

(3)水平管道上,每隔100~150m设一个;

(4)水平管道上,流量测量装置的前面。

(二)蒸汽和凝结水管道的排空气装置

蒸汽管道安装完毕,管道内充满着空气,在管道进行水压试验和启动运行时,需将空气全部排尽;凝结水管道内也存在着空气(空气属于不凝性气体),它在管道内容易形成气塞而阻碍凝结水的流通,因此必须及时地将空气排除。

1、蒸汽管道的排空气装置

在蒸汽管道的高点设手动放空气阀(平时不用),当管道系统进行水压试验(向管道内充水)或初次通过蒸汽运行时,利用此阀排出管道系统内的空气。

2、凝结水管道的排空气装置

通常在凝结水干管的始端(高点)设自动放空气阀。若采用不带排气阀的疏水器时,在疏水器的前方也应装设放空气阀,以便在系统运行过程中能及时地排除凝结水管道内的空气。

二、热水供热管道的排气和放水装置

热水供热管道包括供水和回水两种管道。在供水和回水管道上均应设置放水和排气装置。

(一)供、回水管道的排空气装置

在供、回水管道上设置排空气装置的目的有二:一是防止系统在运行过程中由于空气的聚集而形成气塞,阻碍热水的流通并产生噪声;二是管道水压试验前在向管道内充水时,需用此装置排出管道内的空气。如下图所示。

排气装置包括排气阀(一般为DN15~DN25)及其前后的短管,其位置通常设在供、回水干管的高点和分段阀之间管段的高点。

(二)供、回水管道的放水装置

在供、回水管道上设置放水阀的目的一是管道水压试验后,为防止冬季冻坏管道,利用此装置将试压用水全部排尽;二是系统停运检修时,需用此装置将检修段内的水排放净。放水装置包括放水阀及其前后的短管,放水阀及其短管的直径为供、回水管径的1/10并不小于DN20。其位置通常设置在供、回水干管的低点和分段阀之间管段的低点。

第四节  室外地沟内供热管道安装

一、安装范围

室外地沟内供热管道的安装范围,工程上一般是指锅炉房外墙至用户外墙或热力入口处。工程造价上是以建筑外第一个阀门井或建筑物外墙皮1.5m处为分界点。

二、安装时管材及阀门的选用

通常室外蒸汽管道应采用普通无缝钢管,凝结水和供、回热水管道一般采用螺纹钢管(螺旋缝电焊钢管、螺旋钢管)。管道拐弯采用煨制或冲压弯头,变径采用冲压大小头。阀门通常采用法兰式截止阀、单向阀。管道采用焊接及法兰连接。

与疏水器、排气阀、放水阀相连接的小直径管子,一般可采用黑铁管,成品管件、丝扣或焊接连接。排气阀、放水阀为丝扣式截止阀。

三、管道安装

(一)支架安装

1、支架的种类

 支架由支撑结构和托持结构两部分组成。支撑结构通常为悬臂式或横梁式(角钢或槽钢)。托持结构称为支座(座),支架分为:活动支架、导向支架和固定支架三种。

 活动支架:用于允许管道纵、横向位移的地方。

固定支架:用于承受管道由于温度变化所产生的推、拉应力,并不得发生任何方向位移的地方。

 导向支架:用于只允许管道纵向位移的地方。

2、支架(支座)的安装位置

 (1)活动支架的安装位置

安装在方形补偿器两侧的第一个支架及其水平臂的中点、管道 拐弯处(弯头)两侧的第一个支架。

 (2)导向支架的安装位置

安装在补偿器与固定支架之间的直管段上。

 (3)固定支架的安装位置

固定支架安装在两补偿器之间、热源出口(靠近外墙)、用户入口(靠近外墙)等处。

3、支架(支座)的安装间距(如下表所示)

4、支架(支座)的安装

支架应先进行制作、除锈、防腐,然后再进行安装。

(1)支架(座)的制作

一般采用角钢或槽钢制作支撑结构,用钢板加工焊制托座。

(2)支架(座)的除锈

除锈方法有手工法、机械法、酸洗法和喷砂法等。其中喷砂法除锈效率高、质量好;但要设除尘装置,否则,在喷砂过程中将产生大量灰尘,污染环境,有害人体健康。

(3)支架(座)的防腐

通常涂刷底、面漆各两遍;底漆为樟(红)丹防锈漆或铁红防锈漆,面漆为调和漆。

(4)支架(座)安装

地沟内供热管道支架(座)的安装分两次进行:第一次在筑沟壁时,将支撑结构(角钢或槽钢)预埋好;第二次在铺设管道时安装托持结构(托座)。

(二)铺设管道

1、管子的检查

管子的名称、规格、材质应符合设计要求;不得有裂纹、重皮、严重锈蚀等缺陷。

2、管子的除锈

通常采用喷砂法除锈,将管子外表面的锈污除掉,要求露出金属光泽面。

3、管子的防腐

通常在铺管之前,将管子外表面喷涂防锈底漆两遍。为了不影响焊口质量,每节管的两端各留出约50mm不涂漆。

4、管段的组对与焊接

在管沟边的平地上将管子组对、焊接成适当长度的管段。管子的焊接程序为:坡口、对口、点焊和焊接四个步骤。

5、铺管与安装支座

(1)铺管

将组对焊接好的管段,以机械或人工由管沟边放入沟内的支架上,把管段连接成整条管道。然后将管道就为并调整间距、坡度及坡向。

(2)安装支座

安装固定支座时,其支座与管道和支架应焊接牢固。

 安装活动、导向支座时,应考虑管道热伸后支架中心线与支座中心线不致有较大的偏差。因此,补偿器两侧的活动支架和直管段上的导向支座应偏心安装。其偏心方向以方形补偿器的中心点为基准,即补偿器左侧的支座向其支架中心线的左侧偏离;补偿器右侧的支架向其支架中心线的右侧偏离,偏心距离为该支架与固定支架之间管段热伸长量的1/2(通常取值50mm)如图所示。活动、导向支座与管道焊接;导向支座的导向板与支架焊接。

(三)补偿器机器安装

1、补偿器的作用

补偿器也称为伸缩器,其作用为吸收管道因热涨而伸长的长度;补偿因冷缩而回缩的长度。

2、补偿器的种类

补偿器分为自然和人工补偿器两种。自然补偿器是供热管道中的自然拐弯,分为Z形和L形;人工补偿器有方形和套筒式补偿器两种。供热管道通常采用方形补偿器。方形补偿器的优点是管道系统运行时,这种补偿器安全可靠,且平时不需要维修,缺点是占地面积较大。

3、方形补偿器的制作

制作方形补偿器时尽量用一根管子煨制而成,若使用2~3根管子煨制时,其接口(焊口)应设在垂直臂的中点。管子的材质应优于或相同于相应管道的管材材质;管子的壁厚,宜厚于相应管道的管材壁厚。组对时,应在平台上进行,四个弯头均为90°,且在一个平面上。

4、方形补偿器的安装

一般情况下,供热管道自始至终并非所有管段都需要安装方形补偿器。实际工程中,有的管段需要安装方形补偿器;有的管段可不必安装方形补偿器。当供热管道中有自然拐弯(即有Z形、L形自然补偿器)时,其弯头前、后的直管段又较短,可不设方形补偿器。当供热管道中无自然拐弯时,应设方形补偿器;或者有自然拐弯,但其弯头前、后的直管段较长,也应在直管段上装设方形补偿器。方形补偿器应设在两固定支架之间直管段的中点,安装时水平放置,其坡度、坡向与相应管道相同。为了减小热态下(运行时)补偿器的弯曲应力,提高其补偿能力,安装方形补偿器时应进行预拉伸或预撑(即:不加热进行冷拉或冷撑)。拉伸的方法通常采用拉管器、手动葫芦,也可以采用千斤顶进行预撑。

四、供热管道的压力试验

室外供热管道安装完之后,应进行压力试验,以检查其强度和严密性。

1、试压介质和试验压力

通常采用水压试验;其试验压力标准为:强度试验压力值为工作压力的1.5倍,严密性试验压力值等于工作压力。

2、试压前的准备工作

在被试压管道的高点设放气阀,低点设放水阀;始、终端设堵板及压力表;接好水泵。

3、试压

试压时,先关闭低点放水阀。打开高点放气阀,向被试压管道内充水至满,排尽空气后关闭放气阀,然后以手压泵缓慢升压至强度试验压力,观测10分钟,若无压力下降或压降在0.05MPa以内时,降至工作压力,进行全面检修,以不渗、漏为合格。

五、室外供热管道的保温

1、保温的目的

供热管道进行保温的目的是为了减少热媒在输送过程中的热损失,使热媒维持一定的参数(压力、温度),以满足生产、生活和采暖的要求。

2、常用保温材料

(1)泡沫混凝土(泡沫水泥)

由普通水泥加入松香泡沫剂制成,多孔、轻。

(2)膨胀珍珠岩及其制品

珍珠岩是火山喷出的玻璃质熔岩,透明,呈圆形似珍珠故得名。将其粉碎,在高温下焙烧,呈圆形粉末状,很轻,一般以水泥粘合成瓦状。

(3)膨胀蛭石及其制品

蛭石,云母的风化物。将蛭石在高温下焙烧,呈一层层的小块状,褐色,很轻,将其以水泥粘合成瓦状。

 (4)矿渣棉

矿渣棉有矿渣制成,灰色,呈短纤维状,很轻,刺人。

(5)玻璃棉

将玻璃在高温下熔化,再以高压蒸汽喷射抽丝而成,呈纤维状,很轻,刺人。

(6)岩棉

由岩石在高温下焙烧制成。呈纤维状,很轻。

3、供热管道的保温结构

 供热管道的保温结构如图所示。由内向外是防腐层、保温层、保护层和色漆(或冷底子油)。 

通常防腐层为底漆(樟丹或铁红防锈漆)两遍,不涂刷面漆。保温层有选定的保温材料组成。保护层分为石棉水泥、沥青玻璃丝布两种。明装的供热管道,为了表示管内输送介质的性质,一般是在保护层外涂上色漆。地沟内的供热管道为了防止湿气侵入保温层,不涂色漆而涂刷冷底子油。

4、供热管道的保温

地沟内供热管道的保温施工程序为:防腐层、保温层、保护层和涂刷冷底子油。

(1)涂刷防腐层

管道在铺设之前已涂刷底漆两遍。此次应将接口(焊口)、弯头和方形补偿器等处涂刷底漆两遍。铺管时若管身漆面有损伤处,也应予以补刷。

(2)保温层施工

保温层的施工有预制瓦砌筑、包扎、填充、浇灌和手工涂抹等五种方法。

 其中最常用的是第一种方法。

预制瓦砌筑法,是用选定的保温材料先预制成瓦状。环绕管子一周保温瓦的块数,根据管径大小不同分为2~8块,瓦的厚度按设计规定,一般设计厚度有50、75、100mm;每块瓦的长度约为500mm。施工时将预制瓦砌筑在管道的外表面,纵、横接缝应错开,缝内填石棉灰泥,每块瓦的两端以直径1~2mm的铁丝捆扎。当管径DN≥150mm时,保温层外包一层铁丝网。在管道的弯头处应留伸缩缝,缝内填石棉绳。在阀门、法兰等处可采用涂抹法施工。

(3)保护层施工

一般为石棉水泥保护层,其质量配比为:525号水泥53%,膨胀珍珠岩粉25%,四级石棉9%,碳酸钙13%,加水调和。涂抹厚度10~15mm,要求厚度一致,光滑美观,底部不得出现鼓包。

(4)涂刷冷底子油

冷底子油是将沥青熔化,待冷却到100℃以下时,加入适量的汽油(沥青与汽油的质量比为1.2:2.5)拌和均匀。刷漆时,动作要快,要求均匀美观。



《责任编辑:刘烨》