|
|
 |
| |
|
| 论文摘选->论文摘选 |
| 高温蒸汽多屏保温直埋式热力管的研制 |
|
(已经被浏览2664次)
|
杨明学、王德梓 大连科华热力管道有限公司
刘领诚 上海科华热力管道有限公司
摘要：本文简要慨述了新研制的高温蒸汽用多屏保温直埋式热力管的结构、材料及实验室模拟综合测试和工程实用结果，并对保温材料性能及结构设计的可行性进行相关理论和实验探讨。指出，采用超细离心玻璃棉类多屏复合保温（绝热）预制高温蒸汽直埋式热力管：内滑动结构， ≥50K 容重、设有耐高温隔热防冷（热）桥支架，以及高强耐腐蚀的外防护层，其保温效果和使用寿命可以和抽低真空保温管道相比较，有着相对费用低，操作维修方便，耐突发事故影响小，性能 / 价格比高，更为优良的特点，适宜推广应用。
关键词：蒸汽保温管 多屏保温（绝热） 直埋式 集中供热 热力管道
1 前言
预制直埋式保温管在实现城镇集中供热，冷、暖、热 “ 三联供 ” ，美化环境，节约能源方面显现出极大的作用，减少污染，占地小，对城市规划、老城市的基础设施建设和改造，更有着十分突出的经济效益和社会效益。目前国内外都在积极研究、开发，是能源，环保非常活跃的前沿新课题 [1] 。采用多屏保温（绝热）新结构、新材料，经实验模拟测评，节能效果显著。在国内多项工程数十公里的管线上实践采用，均获得较好成效。
2 多屏保温（绝热）直埋式热力管
2.1 结构
2.1.1 新研制的高温蒸汽用直埋式多屏保温（绝热）热力管其结构如图 1 所示 ( 略 ) ，是由工作钢管（芯管）、保温层、反射屏层组成多屏复合保温结构以及空气层和外保护管（带防水防腐层）构成 [2] 。
2.1.2 多屏保温（绝热）结构技术要点
多屏保温（绝热）结构组成简洁，其技术要点：
① 多屏绝热反射屏必须平行于内、外钢管壁，且同心度要保持；
② 多屏绝热反射屏采用铝箔时反射面要朝向热流方向，不能有孔眼及破裂，防止热流的透传；
③ 保温（绝热）离心玻璃棉纤维，为超细型，质量要高，渣球含量小（几乎为零），密度（堆积）要均匀，并保证一定的厚度，使纤维间的气体分子运动径程小，热导率最低，而又不增大纤维固体的导热传递；
④ 设置特殊的绝热内滑动支架结构，保证工作钢管（芯管）热伸缩自如，保温结构不破坏或不超过规定形变极限，摩擦系数小，磨损轻，使用寿命长；
⑤ 内固定支架设计，要保证管道运行时承受的内、外各种荷载的作用，一、二次应力的影响，并防止冷（热）桥产生；
⑥ 外护管及防水防腐层，刚度、强度及性能保证，直埋使用 25 年以上寿命要求，能密封防水、防腐、耐电化学腐蚀和抗冲击作用。
2.2 材料
多屏保温（绝热）直埋式热力管，选用的主材有工作钢管（含外护管），保温材料，反射屏材料及外防水防腐层材料。
2.2.1 钢管
按国家规定，执行 GB/T8163 、 GB/T3087 、 GB9711.1 、 CJ/T3022 标准选配。
2.2.2 多屏保温（绝热）材料主要采用离心超细玻璃纤维，执行标准为 GB/T13350 。根据试验筛选以 Owens Corning 公司 TIWII 或 Insul-Quick 为好，其性能列于表 1[3] 。 ( 略 )
2.2.3 多屏保温（绝热）采用的反射屏材料 —— 铝箔
金属铝箔反射屏材料是保温（绝热）中，有效防止辐射又可消除或减缓纵向导热，有着热容量小，质量轻，热平衡快，绝热效果好，制作简单，成本低的优点。与其玻纤布复合粘接一起，强度高，性能更能保持。表 2 列出反射屏铝箔材料性能 [6] 。 ( 略 )
2.2.4 防水防腐层
钢外护管的防水防腐层多采用单层：环氧煤沥青类；熔结环氧粉末喷涂。根据设计要求可采用：二层（胶 +PE ）；三层（环氧粉末 + 胶 +PE ）以及高膜厚 PU 或聚脲材料，性能见表 3[7] 。 ( 略 )
为了提高热力管道直埋使用寿命，并进一步降低成本，新开发研制了耐环境能力（应力和腐蚀）更强的三维增强玻璃钢防水防腐层结构。除性能达成普通玻璃钢指标外，提高了层间的粘合力，增强管道的刚度和强度，三维各向性能更趋一致，抗渗透性能更高 [8] 。
3 多屏保温（绝热）直埋式热力管道的综合性能
3.1 园管法模拟评定（ GB10296-88 ）
3.1.1 将 Φ426×7/Φ720×8 按照上述多屏保温结构，设计制作长 2400mm 工程实样，经北京市建筑工程质量检测中心综合测评，结果列于表 4[9] 。 ( 略 )
3.1.2 Φ325×6/Φ660×7 测试结果列表 5[10] 。 ( 略 )
4 结果讨论
4.1 保温（绝热）材料性能影响
4.1.1 超细离心玻璃纤维直径与密度
文献和试验研究表明纤维类保温（绝热）材料的热导率与其常温下的气体热导率相近 [11] ，均较低。是一良好的保温材料。但其导热率与纤维的直径，堆积密度有很大关系。图 1 列出玻璃纤维直径、密度与导热系数的关系 [12] 。
文献报导，玻纤直径为 1.5μm 导热系数最小。图 2( 略 ) 是 Owens 给出工业品测试结果。工程上实际采用的玻璃棉纤维直径一般为 5.0 ～ 7.1μm 。数据表明，纤维材料不同，其直径、形状、分布不同，导热率与最佳密度相应变化，在常温或 <400℃ 下，玻纤制品的容重约在 50 ～ 55kg/m3 最佳。
4.1.2 离心玻璃纤维保温材料的耐煮沸性能
根据直埋管道长期地下运行特点，以及安装、吹扫、暖管等工序中可能出现管道进水等实际状况，其保温材料应具有一定程度的抗非正常运行的能力。在水温 100℃ 下材料煮沸实验是简单的模拟评定方法之一。经国家玻纤测试中心（南京）评测结果列于表 6[13] 。 ( 略 )
显见，离心超细玻璃纤维具有一定的抗水煮沸能力，导热系数变化 0.0012<3.7% ，实际工程应用也充分体现该性能。
4.1.3 离心玻璃纤维的耐温性能
为更确切研究保温直埋管道的使用寿命，其主材的耐温性能尤为重要。我们对 Owens Corning 公司产 TIWII 耐高温玻纤保温材料进行高温热失重测试，实验结果重复了厂家提供的指标性能，可在 <465℃ 下正常应用 [14] 。
多屏保温玻纤材料耐温性 表 8
试样 起始失重温度 ℃ 终止失重试验温度 ℃ 失重 W%
原试样 255 465 1.16
水煮沸 48h 后 255 465 1.31
水煮沸 96h 后 255 465 1.31
试验表明，正常运行时，玻璃纤维在 <465℃ 热失重仅 1.16% 而经 48h 或 96h 水煮沸后的材料性能也是相当稳定。相对变化率 <0.13% 。可见 TIWII 型保温材料有机整形剂含量低，而不同于其它一些产品 , 高温热失量达 8 ～ 12% 以上，保证不了纤维类材料导热系数与堆积容重及相关指标要求。高温下，胶粘剂挥发，而容重和形状变化导热率升高，材料的保温（绝热）性能下降。
4.2 保温（绝热）结构设计对保温效果的影响
4.2.1 对于半软或软质保温材料，其结构支架除保证管道正常运行、滑动自如，能使工作管热胀冷缩外，保持保温材料的相对几何形状和尺寸十分重要，否则将改变材料的导热系数以及传热损失。但其支架结构的防止冷（热）桥产生，也是传热损失的重要方面。试验测试结果清楚表明：设有结构支架，必定产生冷（热）桥，此处的表面温度就相对高些，采取技术措施，可以降低导热传递，表面温度相对温度降低。表 9 列出实验结果 [9] 。
支架结构及防冷（热）桥处理试验情况 表 9
结构类型 外壳表面温度 ℃ 外护壳表面热流 q w/m2 热流量 q1 w/m 导热系数 λw/m℃
正常保温（无支架区） 30.4 84.7 193.1 0.060
支架区（无绝热处理） 45.9 122.7 279.7 0.090
支架区（有绝热处理） 36.2 113.6 259.0 0.086
工作钢管外表面温度 300℃ 环境温度 18.6℃
工作钢管 Φ426 多屏保温厚度 140mm
支架的结构设计优良，可减少热流损失，外壳表面温度相结低～ 10℃ ，对直埋蒸汽管道外表面温度设计限定不超过 50 ～ 60℃ 十分有效。
4.2.2 空气层的设计
多屏保温（绝热）结构设计中空气层一般为 N2 和 O2 双原子气体。对于辐射热吸收很弱，因此通常设计在距热源远的外层处。对于近距高温热源多为纤维保温（绝热）材料。吸收热辐射，并以反射屏 —— 铝箔，高效反射，来大幅度减少辐射漏热，达到保温（绝热）目的。
结构设计中的空气层，因已超过分子自由行程长度，主要是对流传热，而不同于纤维材料中的空气是以导热为主。因此空气层的厚度根据文献和试验以及实际工艺要求通常在～ 10mm[15] 。
文献介绍，多屏保温（绝热）结构，如抽真空效果更佳。但其真空度在 1 ～ 10Pa 作用显著 [16] 。此需较大的设备以及真空维持费用。而多屏保温是材料及结构的传导传热，对流传热及辐射传热三者的综合效果，不应只考虑气体的对流传热，或气体的导热，对于高温蒸汽预制直埋管道，应多考虑以是辐射传热这个主因素。
4.3 多屏保温（绝热）结构的科学性和可靠性
多屏保温（绝热）是多层保温（绝热）的一大改进，其传热计算相当复杂。保温材料、温度梯度，和固体的接触传热，气体的对流传热以及屏材料间高温下的辐射传热，屏层的反射回热等多因素影响。瑞典科学家彼得逊（ Peterson ） 1951 年研制成功 [11] ，为目前保温（绝热）结构最好的一种型式被称为超级保温（绝热）。对于蒸汽直埋热力管道，多采用 2 ～ 3 层保温（绝热）反射层结构。图 3( 略 ) 简示 3 层多屏保温（绝热）热力管模型。
经过 3 个反射屏后，该空间的辐射热流就可减少到 1/3 倍，高温绝热效果良好。
对于 是以空气层保温（绝热）的，除内滑动支架固体热传导散热外，主要是空气层间的气体对流传热，即 —— 对流换热系数 w/m2·k 。辐射传热与温度 成正比，固空气层内辐射传热因温度低而消弱，此忽略。蒸汽直埋管道多为水平园柱保温，空气层仅 10mm 左右，为层流传热。强制对流（紊流）情况少，只是在排潮管空间处存在。
按上述基本理论，研制的多屏保温（绝热）蒸汽直埋式热力管已在国内多处应用，其规格从 D125 、 D200 、 D250 、 D300 、 D350 、 D400 、 D450 、 D600 采用，均获得良好的保温效果。某工程 D600 埋地管线 2km 多实际运行，温降 <10℃ 仅 6 ～８ ℃ 。此项技术已获中国国家专利，并获得英国伦敦世界专利博览会金奖，以及香港世界华人专利金奖，日内瓦国际发明专利金奖等。节能效果十分显著，达 25% 以上。
5 结语
5.1 多屏保温（绝热）直埋式热力管可以应用到蒸汽介质输送，结构简单，美化环境，节能效果显著。
5.2 多屏保温（绝热）内滑动式结构，虽工艺较复杂，但避免了保温屏材料因随工作管热胀冷缩出现沟流或断裂，热流漏透大的问题。更有效的发挥屏的反射、隔热、密封作用。
5.3 多屏保温（绝热）其保温材料选用渣球含量极少，纤维直径 <7 （通常为 5.2μm ）超细离心玻璃纤维是合理的，密度应 ≥50kg/m3 ，质地均匀，整形剂含量应控制在 <1.5% 以下。
5.4 多屏保温（绝热），设有空气层，其绝热模型，不同于单一多层保温，又不同于一般的空气热对流，辐射传热，其理论模型和科学计算有待进一步的研究实验。
5.5 随着多孔纤维材料和保温（绝热）结构深入研究，添加高效绝热新材料，如微球结构，中空纤维结构等，对获得高性能（各向同性），重复性好，制作安装方便，成本低的新保温（绝热）热力管是今后发展方向。
致谢：本工作得到北京市建设工程质量检测中心杨庆麟教授级高工、张荣室主任，白冬君工程师（博士生）及上海欧文斯 · 康宁有限公司杨振林博士、孙光亮美国材料标准协会委员，以及国家玻璃纤维产品质量监督检验中心（南京）领导和同志的大力支持。此表示衷心谢意。
文献：
[1] 杨明学《直埋式预制保温管道技术进展及问题分析》 “ 新型建筑材料 ”1998 年第 1 期
[2] 杨明学等《高温蒸汽多屏保温直埋式热力管》中国授权专利 ZL002525708
[3] 美国 Owens Corning 公司 TIWII Insul-Quick 产品样本
[4] 美国 Owens Corning 公司欧文斯科宁石油化工用高温玻璃棉保温材料（产品介绍）
[5] 美国 Owens Corning 公司高温玻璃棉长期使用性能模拟试验（报告）
[6] 保温保冷防水节能 “ 复合铝箔防护材料 ”FHL 专利产品（国家级新产品）说明书
[7] 杨明学等《直埋预制蒸汽保温管道的外护管及防腐层的研究与探讨》 “ 区域供热 ” 待发表
[8] 杨明学等《三维增强玻璃钢 / 钢外护层蒸汽直埋管的研制》大连科华热力管道有限公司内部资料
[9]“ 多屏保温管 ” 检测报告（四检字 01B078 号）北京市建设工程质量检测中心（四检所） 2001.4
[10]“ 多屏保温管 ” 检测报告（四检字 01B032 号）北京市建设工程质量检测中心（四检所） 2001.4
[11] 徐烈等《低温绝热与贮运技术》北京：机械工业出版社 1999 年
[12] 美国 Owens Corning 公司提供技术资料
[13] 《高温玻璃棉耐水性试验（ 100℃48h 、 96h ）试验报告》国家玻璃纤维产品质量监督检验中心
玻纤质检（ WQ ）字第（ 0108011-1 、 2 、 3 号） 2001 年
[14] 中国科学院大连化学物理研究所 玻纤热失重法测试报告 2001.11
[15] 《城镇供热直埋预制蒸汽管道技术条件》建设部行业标准征求意见稿 2001.10
[16]ISOBRUGG 公司技术资料
作者简介：
杨明学：原中国科学院大连化物所研究员 / 教授，现为大连科华热力管道有限公司董事长，中国城
镇供热协会技术委员会委员，中国硅酸盐学会保温材料专业委员会副理事长，中国工程建
设标准化协会城市供热工程委员会委员。多年从事材料及蒸汽直埋管道技术研究开发，撰
写发表论文 30 余篇，多次获国家、部、市奖励，是国务院政府津贴获得者。
王德梓：大连科华热力管道有限公司副总工。专业从事管道及附件的研制开发工作。
刘领诚：原大连科华热力管道有限公司总工 / 高级工程师，现为上海科华热力管道有限公司总经理，
中国城镇供热协会技术委员会委员，中国工程建设标准化协会城市供热工程委员会委员。前期曾参加部分工作。专业从事城镇供热技术和新产品开发，是《城镇直埋供热管道技术规程》 “CJJ/T83-98” 主要执笔人之一，发表论文多篇。
如需要阅读全文，请于我们联系 |
|
|
|
