蒸汽管道直埋,我国始于90年代初期,随着国民经济的高速发展和城市规划建设的要求,原蒸汽管道架空敷设,不少地方都改为直埋,许多城市的经济开发区甚至不允许蒸汽管道架空敷设,否则规划部门不予批准;经过国***研所、生产厂家的开发和研究,直埋蒸汽管道技术已取得了较大的发展,并于2005年7月15日颁发了行业标准《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》(CJJ104-2005)蒸汽直埋管道主要结构型式,一直有“南北之争”,在南方地区,多采用“钢套管”结构,由于地下水位浅,所以“外套钢管”的防腐措施是否得当,直接影响蒸汽管道的安全运行,严重时甚至造成全部保温和防腐的失效,管线报废。
如“×××热电厂”南线供热管网直埋蒸汽管道由于外套钢管防腐的失效,排潮管处大量漏汽,导致该段管线停产维修,严重影响了生产。
目前国内外套管的防腐采用的几种涂料:
1.环氧沥青煤
2.烧结环氧粉末
3.聚乙烯三层结构
4.聚脲
然而直埋管道在运输和安装过程中不可避免地造成外套管防腐层小面积的损坏,从而导致外套管防腐层的***,而在防腐层外再设置阴极保护,阴极保护与管道本身的防腐层互相补充,防腐层的存在可大大减少阴极保护的消耗电流;而阴极保护可以弥补防腐层完整性方面的不足,从而在安全性和经济性达到***的结合,是目前公认的***佳的防腐方案。
外套管采用阴极保护,阴极保护在金属防腐蚀工艺中,是电化学方法的一种,同其它防腐工艺不同的是,它通过给被保护金属补充大量的电子,使被保护金属整体处于电子过剩的状态,金属表面各点达到同一负电位,金属原子不易失去电子而变成离子溶入溶液;有两种办法可以实现该要求:即牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。原则上这两种方法均使用,但从经济上考虑对于新建管道的覆盖层电阻小于10000Ω·m2和土壤电阻率大于100Ω·m时,不宜采用牺牲阳极阴极保护。
保护电位是有限度的,过高的保护电位会造成管道防腐层漏点大量析出氢气,造成涂层与管道脱离,即阴极剥离,不仅使防腐层失效,而且电能大量消耗,还可导致金属材料产生氢脆进而发生氢脆断裂,所以必须将电位控制在比析出氢电位稍高的电位值,此电位称为***大保护电位即阳极极化电位(e a),超过***大保护电位时称为“过保护”。
4)瞬时断电电位
在断掉被保护结构的外加电源或牺牲阳极0.2-0.5秒之内读取结构对地电位,由于此时没有外加电流从介质中流向被保护结构,所以所测电位为结构的实际极化电位即阴极极化电位(e c),不含IR降(介质中的电压降);
5)***小保护电流密度
使金属腐蚀下降到***低程度或停止时所需要的保护电流密度,其常用单位为mA/m2表示,处于土壤中的***金属,***小保护电流密度一般取10mA/ m2。
3.保护准则
1)相对于饱和铜/***铜参比电极的管道阴极极化电位至少为850mV;
2)管道表面与接触电解质的稳定饱和铜/***铜参比电极的管道阴极极化电
位差***小为100mV;
牺牲阳极的埋设有立式和卧式两种,埋设位置分轴向和径向。且必须埋设在冰冻线以下。
工程实例:“×××热电厂”供热管网直埋管道L=12km,φ529×9,外套管φ1020×10, 聚脲防腐层,处于土壤电阻率ρ=50Ω·m的环境中,设计寿命15年,计算牺牲阳极的大小及支数。
选取梯形截面镁阳极,规格号为“-4 ”, 镁重11.34Kg, 其尺寸为E=700mm, A=90mm,B=110mm,C=88mm,其阳极等效直径d=C/π=0.12m,C为周长(m), 填料包直径为D=0.17m, 埋地阳极水平放置,经测量其电阻率为40Ω·m,阳极中心至地面的距离约2m, 牺牲阳极的连接电缆按采用铜芯电缆:VV-1KV/1×10mm2, 电缆长度为4m。
应考虑以下几点:①沿管网蒸汽流向并根据管网路由和高程将管网做成有坡度设计,顺流在低点集水。②在地下障碍多,管道敷设成纵向起伏的管段,采用多点疏水;当逆流疏水时,尽量加大管道破度。③在有弯头的上返点之前应设置疏水系统。④根据工作钢管规格和蒸汽介质参数的不同,每隔200-300米设置一套疏水系统。
2 疏水装置
疏水装置是疏水系统中重要的组成部分,它是在工作管中收集凝结水,并将凝结水排出工作管的装置。现阶段国内在蒸汽管网中所采用的疏水装置大致分为上疏水、侧疏水两种。疏水装置是预制直埋蒸汽管道中比较薄弱的部件,所以在管网布置时应充分考虑装置的运行稳定性问题。工程中无论采用哪种方式,都应尽可能将疏水装置安装在固定墩附近,以减少疏水装置的位移,降低疏水装置因位移发生损坏的可能。如果疏水装置必须安装在管道位移较大的位置,应加大疏水管外套管和集水罐外套管的外径尺寸,给疏水装置的位移留出充足的活动空间,防止因工作管位移过大造成挤压保温材料的情况发生。
2.1 上疏水
所谓上疏水就是将管道中的凝结水通过插入工作钢管中的疏水管,将集水罐中的凝结水利用管道中的背压,将凝结水从管道上方排出的疏水装置。其结构见图1
此种结构在施工过程中安装方便,在生产厂家内做成管件,现场可直接安装。而且因为疏水管的引出点在管道上方,所以疏水管的焊接安装操作更加方便。因其靠近地面,疏水井可设置相对较浅,十分便于今后维护操作,也减少了土建施工工作量,降低了工程成本。此疏水装置因疏水管直接穿过工作管,对蒸汽的流动产生了一定的阻力,运行时因气流冲击疏水管会产生震动,对管线的运行有一定的影响,但通过使用情况看,此种影响不大,经过10余年的运行管线运行情况良好。上疏水的***大缺点就是在管线中没有背压时起不到排水作用,在管线进行水压试验或停汽后管道中会有少量存水,管线下次启动时如果操作不当容易产生水击现象。所以在管线启动时升压要更加缓慢,利用背压将管中的水排净后再升压,避免水击产生。水压试验排水问题可在施工过程中疏水装置暂不安装,用一段放水裸管代替,水压试验完成后从裸管处将水放净,之后将裸管割下安装疏水装置,焊缝检测比普通焊口高一个等级。
2.2 侧疏水
侧疏水也是当前经常使用的一种疏水方式,其将疏水管从工作管底部的集水罐的侧面引出,侧疏水结构如图2。此种结构可在管道无背压时凝结水照常排放,故在进行水压试验和停止运行后可将管道内的水排净,有利于管道的启动操作,减少了水击的发生。其疏水管在管道底部,所以在施工时需开挖较深的操作坑,对疏水管的安装操作不便,且疏水井需设置较深,增加了土建施工量也不利于以后的维护操作。由于疏水井在整体管道的下部,特别当管埋设较深时排到疏水井内的凝结水不易排除,不如上疏水因埋设浅可将凝结水直接引到附近的下水道,所以下疏水有时要在疏水井中设排水装置,由专门人员定期抽水。侧疏水系统如果将疏水井靠近地表设置,可以利用疏水管路上的弯头上返至地表,但此种方式牺牲了侧疏水可以排水将凝结水排净的优点。
3 疏水器(疏水阀)水器的作用是自动、迅速地排出管道中的凝结水,并能阻止蒸汽逸漏。在排出凝结水的同时,排除管线中残留的空气和其他非凝性气体。
选择的疏水器应具如下性能:排凝结水量大,漏蒸汽量小;能排出空气;能承受一定的背压,对凝结水流量、压力和温度的适应性广,并可在凝结水流量、压力和温度等波动的较大范围内工作而不需要经常进行人工调节;体积小、重量轻、结构简单、价格便宜、运行可靠、维修方便等。
现在国内直埋蒸汽管道系统中所选用的疏水器主要是热动力型疏水器。热动力型疏水器靠流体动力学原理来自动启闭凝水排孔,其结构原理见图3。当冷凝水流入a孔时,靠凝结水压力顶开阀片,水经过环形槽b,从向下开的小孔排出。在此流动过程中,由于凝结水的比容不变,空气和凝结水通畅,阀片常开,连续排出。当蒸汽进入时,顶开阀片,蒸汽在阀片下面的a孔经b槽流向出口。在出口孔口处的较低压力作用下,蒸汽比容随压降急剧增大,阀片下面的蒸汽流速激增,使阀片下面的静压下降。与此同时,蒸汽***从阀片与阀盖之间的缝隙冲入阀片上部的控制室,在室内建立起足够高的压力,迅速将阀片向下关闭阻汽。
因热动力型疏水器在阀片关闭后可以起到密封的作用,可以防止排出的凝结水倒灌回工作管,所以在热动力型疏水器的后面不在需要安装止回阀。
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