1、直埋热力管道保温材料及热损失计算分析江西能源肖平华 1999 年 第 01 期 32 页摘 要 本文介绍了目前国内外直埋保温管道预制保温管的技术性能；并通过计算分析得出采用此类保温材料要比采用地沟敷设的常规保温材料热损失减少 40%左右，而且节约投资并缩短施工周期，建议有条件的供热工程应采用预制保温管直埋敷设。关健词 直埋技术 预制保温管 热损失 热阻前言国内外直埋技术的发展，已经有 60 余年的历史，早在 30 年代，原苏联最初采用泥作保温材料，40 年代又改用浇灌泡沫混凝土作直埋管道的保温材料。实践证明，这些保温材料吸水率大，直埋管道腐蚀严重。50 年代初的美国、丹麦和加拿大等国的各大公司
2、研制了预制保温管，即“管中管”技术，从而使管道直埋技术发展到了一个新水平。国内在 50 年代曾采用过浇灌泡沫混凝土的管道直埋敷设方式，70 年代开始研究沥青珍珠岩保温材料的直埋热力管，取得了很大成绩，80 年代我国出现了两种新型预制保温管：一类是天津大学根据国外经研制的保温结构为“氰聚塑”型式的预制保温管；另一种是引进国外生产线的“管中管”型式的预制保温管。目前这种型式的预制保温管已先后在天津、北京、郑州等地进行大批量生产并广泛用于城市热力管网。2 直埋预制保温管技术性能国内外部份厂家生产的预制保温技术性能(见表 1)表 1 国内外部分厂家生产的预制保温管技术性能性 能天津市建筑塑料制品厂哈尔
3、滨东光机械厂丹麦星星管道公司瑞典供热协 会芬 兰ECOPIPE钢管防锈防腐层 氰凝保温材料 聚氨脂 聚氨脂 聚氨脂 聚氨脂 聚氨脂工作温度 120(通用型) 120 130 130 130容重 kg/m3 80100 6080 80100 80 80闭孔率% 9092 90 90 88 88导热系数W/(m.)0.035 0.027 0.026 0.027 0.027吸水性 kg/m3 0.20.3 23 2.5 10 2抗压强度 MPa 0.50.6 0.2防护外壳材料 玻璃钢 聚乙烯管 聚乙烯管 聚乙烯管 聚乙烯管直径 mm 94880 100630 80900 1101000 11010
4、00厚度 mm 12 311.6 3.217.6 310.6 319.6耐腐蚀性 耐酸碱 耐酸碱 耐酸碱 耐酸碱 耐酸碱耐用年 15 年以上 50 50 50 50氰聚塑直埋保温管是用硬质聚氨脂泡沫塑料作保温材料，外部用玻璃钢作防护外壳，钢管外壁刷一层“氰凝”作防腐层。通用型适用于 120以下介质的热力管网。高温型适用于 250以下介质的热力管网，其保温材料为硅酸镁发泡聚氨脂复合保温材料，保护外壳为玻璃钢。第二种类型是“管中管”预制保温管，其保温材料为聚氨脂硬质泡沫塑料，保护外壳为高密度聚乙烯外套管，适用于 120以下部介质的热力管网。3 保温层厚度及热损失计算保温层厚度应根据热损失法或经济厚
5、度计算后并经综合经济效益比较后确定。直埋管道的设计结构如图 1 所示。 图 1 直埋保温管结构示意图1 热力管 2 主保温层 3 保温层4 土壤 5 地面直埋管道的保温计算其原理与一般保温管道相同，但一般热力管的表面散热由外界空气吸收，而直埋管道由周围土壤来吸收，一般管道属于无限空间放热，直埋管道放热与管道埋设深度有关。直埋敷设的供热管道热损失计算，它和预制保温管结构、介质温度、管径大小、土壤性质、保温层的导热系数及管间距等多种因素有关。一般可按图 2 给定的尺寸进行管道热损失计算。图 2 直埋保温管计算示意图3.1 单根直埋管道的保温层厚度及热损失计算(1)式中：保温材料的导热系数：W/(m
6、 ) ；实际计算时，应根据土壤的干湿程度分别乘以系数 1.2 或 1.5。(当确定保温层平均温度 Tm 时，保温层表面温度按Ts=60-70取值) SO土壤的导热系数 W/(m)，干土壤取 0.50，不大湿土壤取 0.50，较湿土壤取 1.74，很湿土壤取 2.32。q允许热损失 W/m；T 0管道的外表面温度；T SO管道敷设处的土壤温度；h管道的埋设深度(地表面至管中心)m；D 0管道外径 m；D 1保温层外径 m；管道热损失计算(2)式中 R总热阻(m)/W；R1保温层热阻(m)/W；RSO土壤热阻(m )/W。3.2 多根直埋管道的保温层厚度及热损失计算多根直埋管道的保温层计算应考虑到
7、管道彼此间热损失的影响，现以两根埋深相同的管道为例说明计算方法。对第一根管道(3)对第二根管道：(4)式中：角标、表示第一、第二根管道，其余符号的意义同前。R 0两根管道相互间影响的当量热阻(m)/W；(5)b两根管道的中心距离 m；按式(3)、(4)算出 值后，即可求出保温厚度 。热损失计算(两管道埋深相同)第一根管道：(6)第二根管道：(7)式中：R 第一根管道热阻(m)/W；(8)R 第二根管道热阻(m)/W；(9)R SO、R 0土壤热阻及管道相互影响的当量热阻(m)/W(10)上述公式适用于直埋管道 h/D02.5 的情况，当埋深较小时，即 h/D02.5 的情况，管道散热会有一部分
8、通过地层传至地面，但在实际工程中很少使用，其土壤热阻可按下式计算(11)式中：h 埋 埋设深度计算值 m；h管中心距地表面距离：m； SO土壤的导热系数取 1.162.32 W(m*)； SO由土壤表面至周围空气的给热系数，一般取 23.234.8 W(m 2*)；例如，当管内介质温度 T0 =95，T 0 =70,土壤的温度 TSO=5，=0.027W/m*,h=0.8 m, SO=1.15 W(m* ),b=D1+200(D0560 mm 时)，b=D1+300(D0560 mm)时，将上述数据代入 (3)(10)可得出下表 2。表 2直埋敷设热损失计算结果表DN D0(mm) D1(mm
9、) b(mm)RSOW/(m)R1W/(m)R0W/(m)q1W/(m)qnW/(m)50 57 117 317 0.38 4.23 0.23 20.5 12.5280 89 147 347 0.43 2.96 0.21 25.5 17.6100 108 168 368 0.41 2.60 0.2 19.6 19.6125 133 203 403 0.38 2.49 0.20 29.93 20.56150 159 219 419 0.37 1.89 0.19 37.67 25.59200 219 279 479 0.34 1.43 0.17 47.76 32.14250 273 333 533
10、 0.31 1.17 0.16 56.72 37.79300 325 395 593 0.29 1.12 0.15 59.60 39.76计算结果表明，采用聚氨脂预制保温管直埋敷设供热管的热损失要比用岩棉管壳、玻璃棉制品、矿渣棉制品等保温材料，地沟敷设的供热管道热损失减少 40%以上。不同保温材料热损失比较见表 3 表 3不同保温材料热损失比较表地沟敷设热损失预制保温管直埋敷设DN岩棉管壳(W/m)玻璃棉制品(W/m)矿渣棉制品(W/m)聚氨脂保温(W/m)50 35.9 37.8 38.7 20.580 49.8 55.0 55.9 25.5100 57.9 65.4 55.0 19.612
11、5 68.5 69.7 66.2 29.93150 79.5 90.3 73.1 37.67200 83.7 126.4 107.5 47.76250 101.3 130.7 127.3 56.72300 118.1 144.5 146.2 59.64.结论(1)预制保温管与常用的保温管相比，具有热损失少、防水、耐酸碱、耐腐蚀等优点，在热网工程中应大力推广使用。(2)节约投资。直埋管道敷设比地沟敷设可节约投资近 30%。(3)施工简便，缩短周期。由于直埋管道敷设要比地沟敷设时开槽小，土方工程量约减少 50%，砌砖和混凝土的工程量减少 90%，施工周期缩短一半以上。(4)维修工作量减少。直埋管道如无外界破坏，一般不维修，而地沟敷设时经常因各种保温材料遇水浸或空气潮湿则需要重新更换保温材料，因此维修工作量大。(5)有利于环境美化。与架空管道敷设相比，直埋敷设由于无地上支吊架等建筑物，不破坏周围环境美化，也不影响周围环境的绿化。作者单位：南昌有色冶金设计研究院
