1. 直埋蒸汽管道設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
因蒸汽溫度高，所以設(shè)計(jì)方法不同于直埋熱水管道。
①. 直埋蒸汽管道的設(shè)計(jì)不能如直埋熱水管道那樣允許有錨固段存在，直埋蒸汽管道的設(shè)計(jì)必須使整個(gè)管系的熱應(yīng)力釋放掉，即管道必須能產(chǎn)生熱位移。由于受補(bǔ)償器補(bǔ)償能力的限制，直埋蒸汽管道固定墩的間距比直埋熱水管道要小得多。
②. 因管道保溫結(jié)構(gòu)不同而形成的區(qū)別：直埋熱水管道使用的是“三位一體”的預(yù)制保溫管，即聚氨酯保溫層緊密地黏結(jié)。在工作鋼管的外表面。但由于聚氨酯的耐熱溫度最高為140℃，因此直埋蒸汽管道只能做成包裹式的復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)，即必須使用耐高溫的保溫材料，這種包裹結(jié)構(gòu)使得工作鋼管與保溫層是脫開(kāi)的。
直埋管道產(chǎn)品如：塑套鋼、鋼套鋼、鋼塑復(fù)合；內(nèi)固定、外固定、內(nèi)外固定；內(nèi)滑動(dòng)、外滑動(dòng)、導(dǎo)管滑動(dòng)等。技術(shù)比較成熟的為以下三種形式。
a. 內(nèi)滑動(dòng)外固定。即工作鋼管與保溫結(jié)構(gòu)脫開(kāi)，工作鋼管受熱膨脹時(shí)，鋼管運(yùn)動(dòng)，發(fā)生位移而保溫結(jié)構(gòu)層與外套管成一整體結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
b. 內(nèi)滑動(dòng)內(nèi)固定。即固定端處將工作鋼管固定在外套管上，不用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)固定。
c. 外滑動(dòng)內(nèi)固定。即保溫材料和工作鋼管緊密結(jié)合，捆綁成一個(gè)整體保溫結(jié)構(gòu)和工作鋼管在管道熱膨脹時(shí)同時(shí)運(yùn)動(dòng)。
由于保溫結(jié)構(gòu)對(duì)直管段及彎頭的徑向位移空間的限制，使得直埋蒸汽管道不能如地溝或架空管道那樣可以利用管網(wǎng)的實(shí)際路由走向選擇不同形式的補(bǔ)償器，直埋蒸汽管道的補(bǔ)償器只能采用軸向型的，自然補(bǔ)償管段也只能設(shè)計(jì)得較短。而直埋蒸汽管道的強(qiáng)度驗(yàn)算和地溝或架空敷設(shè)的設(shè)計(jì)方法是一致的，即采用彈性分析的方法。
2. 合理選擇復(fù)合保溫管道
為了保證高溫蒸汽直埋管道在運(yùn)行中的安全性，保溫結(jié)構(gòu)一般采用復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)。內(nèi)滑動(dòng)的復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)從里到外依次為工作鋼管、高溫防銹層、無(wú)機(jī)潤(rùn)滑層、空氣層、無(wú)機(jī)隔熱層、高溫金屬反射層、有機(jī)保溫層、防水防腐外護(hù)層。外滑動(dòng)式的保溫結(jié)構(gòu)，從里到外依次是工作鋼管、高溫防銹層、無(wú)機(jī)保溫層、空氣層、防水防腐外護(hù)層。防水防腐的外護(hù)層一般是鋼套管。
①. 保溫材料本具有較強(qiáng)的憎水性。在高溫下其自身特性變化不大；保溫管道整體結(jié)構(gòu)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度；外保護(hù)套要有可靠的防腐能力和承內(nèi)壓、外載能力。
②. 管道在保溫層內(nèi)能夠充分滑動(dòng)。管道在工作時(shí)因溫度的變化會(huì)出現(xiàn)熱脹冷縮，在直管段上產(chǎn)生軸向位移，在彎頭及其附近會(huì)有軸向位移和徑向位移同時(shí)產(chǎn)生。為了保證管系熱應(yīng)力的充分釋放同時(shí)減小管道對(duì)固定墩的推力，要求管道與保溫層之間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)要低。當(dāng)彎頭處采取自然補(bǔ)償?shù)姆绞綍r(shí)，要求彎頭及其兩側(cè)一定長(zhǎng)度的管道要有足夠的軸向位移及徑向位移的空間。
③. 要保證管道保溫結(jié)構(gòu)本身和周圍土壤的溫度場(chǎng)的要求，如不能有效控制保溫結(jié)構(gòu)的溫度，可能會(huì)造成保溫管道的保溫層、外防護(hù)層的破壞，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致管網(wǎng)全線破壞，對(duì)其混凝土固定墩、管道周圍的電纜、其他管道等設(shè)施造成影響甚至破壞。因此，一定要對(duì)管道的整體及局部的溫度控制，向保溫管生產(chǎn)廠提出明確要求。
④. 具有排潮裝置：保溫管在工廠生產(chǎn)、運(yùn)輸及安裝過(guò)程中不可避免地含有或吸收一些潮氣甚至少量水分，這些潮氣或水分在管道運(yùn)行時(shí)經(jīng)管內(nèi)蒸汽加熱就會(huì)形成蒸汽，如不及時(shí)迅速地排除出去，就會(huì)使保溫層間的溫度、壓力升高，甚至破壞保溫結(jié)構(gòu)。因此正常運(yùn)行時(shí)可以通過(guò)排潮管的排潮量大小，判斷管道是否泄漏。每段封閉的保溫管段之間均設(shè)1～2個(gè)排潮管，通常情況下，把排潮管設(shè)于固定墩上，在安裝過(guò)程中將固定墩的排潮口設(shè)于固定墩卡板的同一側(cè)，排潮管應(yīng)引到地面以上，行人、車輛無(wú)障礙的安全地方，排潮管口要向下彎，以避免雨雪由排潮口進(jìn)入管道的保溫層。
⑤. 可靠的外防護(hù)層：常使用的復(fù)合預(yù)制保溫管的外保護(hù)套有三種材料，即高密度聚氯乙烯、玻璃鋼、鋼。
a. 高密度聚氯乙烯管外保護(hù)
由于高密度聚氯乙烯管耐溫較低，對(duì)溫度十分敏感，其強(qiáng)度隨溫度變化大，線膨脹系數(shù)大，隨溫度變化會(huì)造成自身開(kāi)裂，使整個(gè)保溫層防水失效。聚乙烯外套則是管件與管道的外套接口不好處理，如固定節(jié)與管道接口處，這些接口如處理不好，地下水可能會(huì)滲入管道保溫層并形成蒸汽，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)全線報(bào)廢。高密度聚氯乙烯外保護(hù)套不宜應(yīng)用到高溫蒸汽直埋敷設(shè)的管道上，但在熱水直埋供熱管道上應(yīng)用較為普遍。
b. 玻璃鋼外保護(hù)
工作鋼管相對(duì)于保護(hù)層和保溫材料發(fā)生位移，工作鋼管承受的摩擦力要受到土壤壓力的影響，玻璃鋼材料質(zhì)量不易保證。
c. 鋼套管外保護(hù)
保溫層與工作鋼管一起相對(duì)于外護(hù)鋼管做同步位移，工作鋼管承受的摩擦力基本上不受土壤壓力的影響，應(yīng)用較多。鋼外套雖然嚴(yán)密但工程造價(jià)高，并且外防腐如果處理不好就不能保證管網(wǎng)的使用壽命。鋼套管的防腐問(wèn)題較為重要，鋼套管外護(hù)層一般防腐用環(huán)氧煤瀝青刷涂，由于與土壤反復(fù)摩擦，不久就失去防腐能力，造成外護(hù)鋼管腐蝕破洞。管系中所有的三通、彎頭、固定支座、補(bǔ)償器及管件全部都裝在鋼套內(nèi)，并和工作鋼管焊在一起，再加上外套鋼管大量焊接，焊口數(shù)量極大，且不能進(jìn)行X射線探傷檢查質(zhì)量。
3. 封閉保溫管段的設(shè)計(jì)
因?yàn)閺?fù)合預(yù)制保溫管道的結(jié)構(gòu)是管道與保溫層之間是有位移空隙的，如果某一點(diǎn)發(fā)生蒸汽管道泄漏或外防護(hù)層破損外漏，則蒸汽或地下水受熱汽化就會(huì)通過(guò)管道與保溫層之間的這一“通道”遍布整個(gè)管網(wǎng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使整個(gè)管網(wǎng)遭受損失。將管網(wǎng)分成若干個(gè)封閉的保溫管段，就能夠縮小事故的影響段，便于查找事故點(diǎn)。在工程設(shè)計(jì)中，可據(jù)實(shí)際情況將每一對(duì)固定墩之間及主干線與支線之間都設(shè)計(jì)成封閉的保溫管段。
4. 管網(wǎng)熱補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)
由于受管道保溫結(jié)構(gòu)的限制，管網(wǎng)直管段的補(bǔ)償器只能采用直埋式軸向型的。選擇自導(dǎo)向性能好、抗失穩(wěn)能力強(qiáng)的補(bǔ)償器，布置在兩固定墩中央或之間的任意位置，不要布置在彎頭或折點(diǎn)旁。補(bǔ)償器的保溫結(jié)構(gòu)一定要滿足強(qiáng)度及溫度控制要求，同時(shí)，補(bǔ)償器的保溫結(jié)構(gòu)應(yīng)不影響補(bǔ)償器的自身性能及正常工作。
5．蒸汽管道的疏水設(shè)計(jì)
管網(wǎng)凝結(jié)水如不及時(shí)排出就會(huì)發(fā)生水擊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)管網(wǎng)造成破壞。管道低點(diǎn)應(yīng)設(shè)置疏水裝置。蒸汽直埋管道疏排水通常采用上排水方式，依靠管道內(nèi)的蒸汽壓力將凝結(jié)水排出。通常整套疏水裝置設(shè)于閥門井內(nèi)，閥門井應(yīng)設(shè)置在便于操作及檢修的地方。閥門井井壁應(yīng)高于地面50～100mm，防止雨水進(jìn)入。為了防止疏水管根部焊口產(chǎn)生的剪切力造成破壞，應(yīng)將疏水管盡量靠近固定墩安裝。
6. 管道埋深的設(shè)計(jì)
隨著埋深的增加，土壤的熱導(dǎo)率降低，會(huì)使管道的外表面溫度升高。在保證管道不被地上載荷破壞，滿足強(qiáng)度要求的前提下，應(yīng)盡量淺埋，在地下條件允許的地方，管道的埋深以0.8～1.0m為宜，或根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況而定。
7. 固定墩的設(shè)計(jì)
①. 直埋蒸汽管道固定節(jié)是在管道上焊接固定用環(huán)板。環(huán)板溫度高，由于熱橋的作用，環(huán)板兩側(cè)管道的外表面溫度也很高。聚乙烯外套的預(yù)制復(fù)合保溫管，其固定節(jié)處的外保護(hù)套不能直接使用聚乙烯，采用鋼外套，這就使管網(wǎng)出現(xiàn)了鋼塑接口問(wèn)題。直埋蒸汽管道固定墩由結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)，一般采用耐熱混凝土。
②. 對(duì)固定墩的推力計(jì)算，除應(yīng)考慮固定墩兩側(cè)管道補(bǔ)償器的彈性反力、不平衡內(nèi)壓力及管道的摩擦力外，對(duì)鋼外套的預(yù)制復(fù)合保溫管還應(yīng)考慮鋼外套管對(duì)固定墩的推力。例如，按外表面溫度最高50℃計(jì)算，當(dāng)工作鋼管直徑為DN400、外保護(hù)套管直徑力DN750時(shí)，采用鋼外套管的固定墩推力比塑套管的固定墩推力最大可提高10倍。雖然采用在鋼外套管上設(shè)補(bǔ)償器的方法可以減小固定墩的推力，但由于外補(bǔ)償器的防腐問(wèn)題目前還沒(méi)有十分可靠的方法，從而不能保證管網(wǎng)的使用壽命。對(duì)固定墩的設(shè)計(jì)可采用內(nèi)固定和相對(duì)固定的方法，即將固定環(huán)板焊接在工作鋼管與鋼外套管之間的方式。鋼外套管對(duì)于工作鋼管視為固定參照物，其內(nèi)固定節(jié)強(qiáng)度結(jié)構(gòu)只考慮工作鋼管的推力F即可。對(duì)鋼外套管來(lái)說(shuō)，F(xiàn)僅為它的內(nèi)平衡力，復(fù)合保溫管的整體穩(wěn)定由土壤作用在鋼外套管上的土壓力來(lái)滿足。這種全部?jī)?nèi)固定的方式，解決了因地下條件惡劣而無(wú)法做固定墩的難題，既縮短了施工周期，又降低了工程造價(jià)。
8. 埋地蒸汽管道的補(bǔ)償設(shè)計(jì)
①. 當(dāng)管道溫度過(guò)高或難以找到熱源預(yù)熱或不適于大面積敞開(kāi)預(yù)熱時(shí)，可采用有補(bǔ)償直埋方式。有補(bǔ)償直埋敷設(shè)分為有固定點(diǎn)和無(wú)固定點(diǎn)兩種方式。
a. 有固定點(diǎn)直埋敷設(shè): 在補(bǔ)償器兩側(cè)設(shè)置固定點(diǎn)，補(bǔ)償器到固定點(diǎn)的間距不得超過(guò)管道最大安裝長(zhǎng)度，固定點(diǎn)所承受的水平推力為土壤對(duì)管道保護(hù)層的摩擦力。設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到由于土壤條件變化而造成的摩擦因數(shù)的變化。
b. 無(wú)固定點(diǎn)直埋敷設(shè): 對(duì)于無(wú)固定點(diǎn)有補(bǔ)償?shù)闹甭穹笤O(shè)，首先應(yīng)在管網(wǎng)平面布置及縱剖面上校核兩個(gè)直管段是否超過(guò)最大安裝長(zhǎng)度Lmax的2倍。若L≤2Lmax，則需校核直管段兩自由末端的自然彎管是否能吸收掉直管段的實(shí)際熱伸長(zhǎng)量；如果直管段長(zhǎng)度L>2Lmax，則還需在L管段上設(shè)置補(bǔ)償器，直到所有不帶任何補(bǔ)償器的直管段長(zhǎng)度均不超過(guò)2Lmax為止。
②. 只有在管段兩端同為同一類型補(bǔ)償器或補(bǔ)償段時(shí)，直管上才可不設(shè)固定墩。采用有補(bǔ)償直埋敷設(shè)的方法，宜選用“L”形、“乙”形、方形補(bǔ)償器，并在這些補(bǔ)償器部位做局部管溝；也可選用波紋補(bǔ)償器、套管補(bǔ)償器，將其置于檢查井內(nèi)，以便于檢修。
③. 無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)主要適用于輸送熱水等溫度低介質(zhì)的管道，即利用土壤與管道間的摩擦力阻礙管道的伸縮，當(dāng)土壤與管道間的摩擦阻力之和等于或大于管道膨脹力的時(shí)候，管線便不再伸長(zhǎng)，即可不加補(bǔ)償器。
