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材料特性

塑料材料的機械性能與溫度和時間均有關。在高溫作用下，其機械強度逐步下降，產生蠕變（在不變應力作用下，材料不斷產生塑性變形）、松弛（壓緊力自行減少）和高溫氧化（在高溫下產生氧化破壞）等現象。因此塑料管道設計時，必須考慮設計使用壽命末期的機械性能。

使用條件的確定

根據供熱系統調節曲線，將全年時間劃分為若干階段，列出每個時間段的最高介質溫度，可得到管道工作的時間—溫度分布。有的標準根據應用領域設定了幾種典型系統給出時間—溫度分布，稱為使用條件級別。如果設計的管道運行規律與某一使用條件級別接近，可以直接選用對應的S值。

常見的使用條件級別表中有關術語解釋如下：

d．XX溫度的使用時間。時間單位為年或者小時，在管道50年設計使用壽命內各種溫度對應的總的使用時間。這個時間包括供熱時間和非供熱時間，在使用條件級別表中，設計溫度、最高設計溫度和故障溫度的使用時間相加為50年。

管壁厚度的表示方法

鋼管的規格一般用 “管徑×壁厚”的方法表示。

塑料管的壁厚用管系列S或標準尺寸比SDR表示，按下式計算并圓整：

常用塑料管的規格為S4（SDR9）、S5（SDR11）、S6.3（SDR13.6）、S8（SDR17）。式中dn為公稱外徑；en為公稱壁厚。

管道壁厚的計算

國家標準《冷熱水系統用熱塑性塑料管材和管件》GB/T18991-2003中按下式計算最小設計壁厚e：

以上公式變換一下形式即可得到下式：式中σ為設計應力；p為設計壓力。由此可知，管系列S與設計應力和設計壓力的比值相近。

這就是我們常見的鋼管壁厚計算公式，其中設計應力在鋼管計算時稱為許用應力。

設計應力的確定

塑料管的設計應力，是指在規定的使用條件下材料的允許應力，即設計使用壽命（50年）末期的材料強度。

國家標準《冷熱水系統用熱塑性塑料管材和管件》GB/T18991-2003推薦使用Miner’s規則推算，管道材料的破壞時間tx可按下式計算：

材料在某一溫度連續作用下的破壞時間ti與材料的靜液壓應力（環應力）有關，各種材料均有相應的預測強度曲線，可以查到不同溫度和靜液壓應力（環應力）下的破壞時間。式中ai分別為設計溫度、最高設計溫度、故障溫度的使用時間占總時間的分數（總和為1）；ti為材料在各種溫度連續作用下的破壞時間。

通過上式計算時需要進行試算，步驟如下：

a．先假設一個設計應力σ；

b．計算各種溫度對應的靜液壓應力（環應力）σi：

c．根據溫度和σi查相應材料的預測強度曲線，得到對應溫度的破壞時間ti；式中Ci為各種溫度對應的使用系數，即安全系數，考慮使用條件和材料性能，數值不小于1；

d．帶入式（5）計算材料的破壞時間tx；

e．重復步驟a～d，經過多次試算，直到tx=50年為止，此時的σ即為設計應力。

工程設計應用

設計應力在工程設計中可用于兩種計算，已知設計壓力計算最小壁厚，或已知S值計算最大允許工作壓力。

a．已知設計壓力計算最小壁厚。將設計壓力和設計應力代入式（3）或式（4）可算出最小壁厚，圓整后選取管系列S值。

b．已知S值計算最大允許工作壓力。根據式（1）和式（3）得到下式：

室外供熱管道的布置及敷設形式將管系列S值和設計應力代入式（7），可算出管道的最大允許工作壓力。

室外供熱管道的平面布置，應在保證供熱管道安全可靠的運行前提下，盡量節約投資。其布置形式分為樹植狀和環狀兩種。

環狀避免了樹枝狀的缺點，但是投資大，一般較少采用。

樹枝狀的優點：

造價低、運行管理方便。

樹枝狀的缺點：

當局部出現故障時，其后的用戶供熱被停止。

適用：對供熱供應要求不嚴的場合。

分為地上（架空）和地下兩種敷設形式。

（一）地上架空敷設

地上架空敷設是將管道安裝在地上的獨立支架或墻、柱的托架上。

優點：不受地下水位的影響，施工時土方最小，便于維修。

缺點：占地面積大，熱損耗大，保溫層易損壞，影響美觀。

按支架的高度不同可分為低、中、高支架三種敷設形式。

（1）低支架敷設

這種敷設形式是管底（保溫層底皮）與地面保持0.5~1m的凈距。如下圖所示。 

（2）中支架敷設

這種敷設形式適用于有行人和大車通過處，其管底與地面的凈距為2.5~4m。

（3）高支架敷設

這種敷設形式適用于交通要道或跨越公路、鐵路，其凈高跨越公路時為4m，跨越鐵路時為6m。如上圖所示。

（二）地下敷設

在城市由于規劃和美觀的要求，不允許地上架空敷設時可采取地下敷設。

地下敷設分為有地溝和無地溝兩種，通常采用有地溝敷設。有地溝敷設又分為通行、半通行和不通行地溝三種。

（1）通行地溝敷設

適用于廠區主要干線，管道根數多（一般超過6根）及城市主要街道下。為了檢修人員能在溝內自由行走，地溝的人行道寬＞0.7m，高≥1.8m。

（2）半通行地溝敷設

適用于2~3根管道且不經常維修的干線。高度能使維修人員在溝內彎腰行走，一般凈高為1.4m，通道凈寬為0.6~0.7m。

（3）不通行地溝敷設

適用于經常不需要維修，且管線根數在兩條之內的支線。兩管保溫層外皮間距＞100mm，保溫層外皮距溝底120mm，距溝壁和溝蓋下緣＞100mm。

（4）無地溝敷設

無地溝敷設是將普通管道直接埋在地下土層中。其熱損耗大，防水也難處理。過去，除了原油輸送管道的蒸汽伴熱管采用此種敷設形式外，均不采用無地溝敷設。隨著室外直埋保溫技術的發展，無地溝敷設應用越來越廣泛。

判斷下面幾種情況屬于哪種敷設形式。

一、蒸汽供熱管道的放水和排氣裝置

（一）蒸汽管道的疏水和排水裝置

為了保證管道的正常運行，及時地排除管道內的凝結水，蒸汽管道應設置疏水和啟動排水裝置。

1、蒸汽管道的疏水裝置

蒸汽管道正常運行時，由于在輸送過程中沿途不斷散熱（熱損耗），蒸汽將產生凝結水。蒸汽干管內的凝結水通過疏水器引至凝結水干管；然后沿其干管送回到鍋爐房的凝結水箱。

蒸汽管道的疏水裝置應設在下列各處：

（1）蒸汽管道的各低點；

（2）垂直升高的管段之前；

（3）水平管道每隔50m設一個；

（4）可能凝集凝結水的管道閉塞處。

蒸汽管道的疏水裝置如下圖所示：

2、蒸汽管道的啟動排水裝置

蒸汽管道系統在初次輸送蒸汽（啟動）時，由于蒸汽的溫度高，管道的溫度低，將產生大量（且臟）的凝結水。光靠疏水器排出是不夠的，必須設置單獨的啟動排水裝置，將啟動時排出的水引至集水坑，然后自流或泵送至下水道。

蒸汽管道的啟動排水裝置應設在下列各處：

（1）啟動時有可能積水的最低點；

（2）管道拐彎或垂直升高的管段之前；

（3）水平管道上，每隔100~150m設一個；

（4）水平管道上，流量測量裝置的前面。

（二）蒸汽和凝結水管道的排空氣裝置

蒸汽管道安裝完畢，管道內充滿著空氣，在管道進行水壓試驗和啟動運行時，需將空氣全部排盡；凝結水管道內也存在著空氣（空氣屬于不凝性氣體），它在管道內容易形成氣塞而阻礙凝結水的流通，因此必須及時地將空氣排除。

1、蒸汽管道的排空氣裝置

在蒸汽管道的高點設手動放空氣閥（平時不用），當管道系統進行水壓試驗（向管道內充水）或初次通過蒸汽運行時，利用此閥排出管道系統內的空氣。

2、凝結水管道的排空氣裝置

通常在凝結水干管的始端（高點）設自動放空氣閥。若采用不帶排氣閥的疏水器時，在疏水器的前方也應裝設放空氣閥，以便在系統運行過程中能及時地排除凝結水管道內的空氣。

熱水供熱管道包括供水和回水兩種管道。在供水和回水管道上均應設置放水和排氣裝置。

（一）供、回水管道的排空氣裝置

在供、回水管道上設置排空氣裝置的目的有二：一是防止系統在運行過程中由于空氣的聚集而形成氣塞，阻礙熱水的流通并產生噪聲；二是管道水壓試驗前在向管道內充水時，需用此裝置排出管道內的空氣。如下圖所示。

排氣裝置包括排氣閥（一般為DN15~DN25）及其前后的短管，其位置通常設在供、回水干管的高點和分段閥之間管段的高點。

（二）供、回水管道的放水裝置

在供、回水管道上設置放水閥的目的一是管道水壓試驗后，為防止冬季凍壞管道，利用此裝置將試壓用水全部排盡；二是系統停運檢修時，需用此裝置將檢修段內的水排放凈。

放水裝置包括放水閥及其前后的短管，放水閥及其短管的直徑為供、回水管徑的1/10并不小于DN20。其位置通常設置在供、回水干管的低點和分段閥之間管段的低點。

一、安裝范圍

室外地溝內供熱管道的安裝范圍，工程上一般是指鍋爐房外墻至用戶外墻或熱力入口處。工程造價上是以建筑外第一個閥門井或建筑物外墻皮1.5m處為分界點。

二、安裝時管材及閥門的選用

通常室外蒸汽管道應采用普通無縫鋼管，凝結水和供、回熱水管道一般采用螺紋鋼管（螺旋縫電焊鋼管、螺旋鋼管）。管道拐彎采用煨制或沖壓彎頭，變徑采用沖壓大小頭。閥門通常采用法蘭式截止閥、單向閥。管道采用焊接及法蘭連接。

與疏水器、排氣閥、放水閥相連接的小直徑管子，一般可采用黑鐵管，成品管件、絲扣或焊接連接。排氣閥、放水閥為絲扣式截止閥。

三、管道安裝

（一）支架安裝

1、支架的種類

 支架由支撐結構和托持結構兩部分組成。支撐結構通常為懸臂式或橫梁式（角鋼或槽鋼）。托持結構稱為支座（座），支架分為：活動支架、導向支架和固定支架三種。

 活動支架：用于允許管道縱、橫向位移的地方。

固定支架：用于承受管道由于溫度變化所產生的推、拉應力，并不得發生任何方向位移的地方。

 導向支架：用于只允許管道縱向位移的地方。

2、支架（支座）的安裝位置

 （1）活動支架的安裝位置

安裝在方形補償器兩側的第一個支架及其水平臂的中點、管道 拐彎處（彎頭）兩側的第一個支架。

 （2）導向支架的安裝位置

安裝在補償器與固定支架之間的直管段上。

 （3）固定支架的安裝位置

固定支架安裝在兩補償器之間、熱源出口（靠近外墻）、用戶入口（靠近外墻）等處。

3、支架（支座）的安裝間距（如下表所示）

4、支架（支座）的安裝

支架應先進行制作、除銹、防腐，然后再進行安裝。

（1）支架（座）的制作

一般采用角鋼或槽鋼制作支撐結構，用鋼板加工焊制托座。

（2）支架（座）的除銹

除銹方法有手工法、機械法、酸洗法和噴砂法等。其中噴砂法除銹效率高、質量好；但要設除塵裝置，否則，在噴砂過程中將產生大量灰塵，污染環境，有害人體健康。

（3）支架（座）的防腐

通常涂刷底、面漆各兩遍；底漆為樟（紅）丹防銹漆或鐵紅防銹漆，面漆為調和漆。

（4）支架（座）安裝

地溝內供熱管道支架（座）的安裝分兩次進行：第一次在筑溝壁時，將支撐結構（角鋼或槽鋼）預埋好；第二次在鋪設管道時安裝托持結構（托座）。

（二）鋪設管道

1、管子的檢查

管子的名稱、規格、材質應符合設計要求；不得有裂紋、重皮、嚴重銹蝕等缺陷。

2、管子的除銹

通常采用噴砂法除銹，將管子外表面的銹污除掉，要求露出金屬光澤面。

3、管子的防腐

通常在鋪管之前，將管子外表面噴涂防銹底漆兩遍。為了不影響焊口質量，每節管的兩端各留出約50mm不涂漆。

4、管段的組對與焊接

在管溝邊的平地上將管子組對、焊接成適當長度的管段。

管子的焊接程序為：坡口、對口、點焊和焊接四個步驟。

5、鋪管與安裝支座

（1）鋪管

將組對焊接好的管段，以機械或人工由管溝邊放入溝內的支架上，把管段連接成整條管道。然后將管道就為并調整間距、坡度及坡向。

（2）安裝支座

安裝固定支座時，其支座與管道和支架應焊接牢固。

 安裝活動、導向支座時，應考慮管道熱伸后支架中心線與支座中心線不致有較大的偏差。因此，補償器兩側的活動支架和直管段上的導向支座應偏心安裝。其偏心方向以方形補償器的中心點為基準，即補償器左側的支座向其支架中心線的左側偏離；補償器右側的支架向其支架中心線的右側偏離，偏心距離為該支架與固定支架之間管段熱伸長量的1/2（通常取值50mm）如圖所示。

活動、導向支座與管道焊接；導向支座的導向板與支架焊接。

（三）補償器機器安裝

1、補償器的作用

補償器也稱為伸縮器，其作用為吸收管道因熱漲而伸長的長度；補償因冷縮而回縮的長度。

2、補償器的種類

補償器分為自然和人工補償器兩種。自然補償器是供熱管道中的自然拐彎，分為Z形和L形；人工補償器有方形和套筒式補償器兩種。供熱管道通常采用方形補償器。

方形補償器的優點是管道系統運行時，這種補償器安全可靠，且平時不需要維修，缺點是占地面積較大。

3、方形補償器的制作

制作方形補償器時盡量用一根管子煨制而成，若使用2~3根管子煨制時，其接口（焊口）應設在垂直臂的中點。管子的材質應優于或相同于相應管道的管材材質；管子的壁厚，宜厚于相應管道的管材壁厚。

組對時，應在平臺上進行，四個彎頭均為90°，且在一個平面上。

4、方形補償器的安裝

一般情況下，供熱管道自始至終并非所有管段都需要安裝方形補償器。實際工程中，有的管段需要安裝方形補償器；有的管段可不必安裝方形補償器。

當供熱管道中有自然拐彎（即有Z形、L形自然補償器）時，其彎頭前、后的直管段又較短，可不設方形補償器。

 當供熱管道中無自然拐彎時，應設方形補償器；或者有自然拐彎，但其彎頭前、后的直管段較長，也應在直管段上裝設方形補償器。

方形補償器應設在兩固定支架之間直管段的中點，安裝時水平放置，其坡度、坡向與相應管道相同。

為了減小熱態下（運行時）補償器的彎曲應力，提高其補償能力，安裝方形補償器時應進行預拉伸或預撐（即：不加熱進行冷拉或冷撐）。拉伸的方法通常采用拉管器、手動葫蘆，也可以采用千斤頂進行預撐。

四、供熱管道的壓力試驗

室外供熱管道安裝完之后，應進行壓力試驗，以檢查其強度和嚴密性。

1、試壓介質和試驗壓力

通常采用水壓試驗；其試驗壓力標準為：強度試驗壓力值為工作壓力的1.5倍，嚴密性試驗壓力值等于工作壓力。

2、試壓前的準備工作

在被試壓管道的高點設放氣閥，低點設放水閥；始、終端設堵板及壓力表；接好水泵。

3、試壓

試壓時，先關閉低點放水閥。打開高點放氣閥，向被試壓管道內充水至滿，排盡空氣后關閉放氣閥，然后以手壓泵緩慢升壓至強度試驗壓力，觀測10分鐘，若無壓力下降或壓降在0.05MPa以內時，降至工作壓力，進行全面檢修，以不滲、漏為合格。

1、保溫的目的

供熱管道進行保溫的目的是為了減少熱媒在輸送過程中的熱損失，使熱媒維持一定的參數（壓力、溫度），以滿足生產、生活和采暖的要求。

2、常用保溫材料

（1）泡沫混凝土（泡沫水泥）

由普通水泥加入松香泡沫劑制成，多孔、輕。

（2）膨脹珍珠巖及其制品

珍珠巖是火山噴出的玻璃質熔巖，透明，呈圓形似珍珠故得名。將其粉碎，在高溫下焙燒，呈圓形粉末狀，很輕，一般以水泥粘合成瓦狀。

（3）膨脹蛭石及其制品

蛭石，云母的風化物。將蛭石在高溫下焙燒，呈一層層的小塊狀，褐色，很輕，將其以水泥粘合成瓦狀。

 （4）礦渣棉

礦渣棉有礦渣制成，灰色，呈短纖維狀，很輕，刺人。

（5）玻璃棉

將玻璃在高溫下熔化，再以高壓蒸汽噴射抽絲而成，呈纖維狀，很輕，刺人。

（6）巖棉

由巖石在高溫下焙燒制成。呈纖維狀，很輕。

3、供熱管道的保溫結構

 供熱管道的保溫結構如圖所示。由內向外是防腐層、保溫層、保護層和色漆（或冷底子油）。 

通常防腐層為底漆（樟丹或鐵紅防銹漆）兩遍，不涂刷面漆。保溫層有選定的保溫材料組成。保護層分為石棉水泥、瀝青玻璃絲布兩種。明裝的供熱管道，為了表示管內輸送介質的性質，一般是在保護層外涂上色漆。地溝內的供熱管道為了防止濕氣侵入保溫層，不涂色漆而涂刷冷底子油。

4、供熱管道的保溫

地溝內供熱管道的保溫施工程序為：防腐層、保溫層、保護層和涂刷冷底子油。

（1）涂刷防腐層

管道在鋪設之前已涂刷底漆兩遍。此次應將接口（焊口）、彎頭和方形補償器等處涂刷底漆兩遍。鋪管時若管身漆面有損傷處，也應予以補刷。

（2）保溫層施工

保溫層的施工有預制瓦砌筑、包扎、填充、澆灌和手工涂抹等五種方法。

 其中最常用的是第一種方法。

預制瓦砌筑法，是用選定的保溫材料先預制成瓦狀。環繞管子一周保溫瓦的塊數，根據管徑大小不同分為2~8塊，瓦的厚度按設計規定，一般設計厚度有50、75、100mm；每塊瓦的長度約為500mm。施工時將預制瓦砌筑在管道的外表面，縱、橫接縫應錯開，縫內填石棉灰泥，每塊瓦的兩端以直徑1~2mm的鐵絲捆扎。當管徑DN≥150mm時，保溫層外包一層鐵絲網。

在管道的彎頭處應留伸縮縫，縫內填石棉繩。在閥門、法蘭等處可采用涂抹法施工。

（3）保護層施工

一般為石棉水泥保護層，其質量配比為：525號水泥53%，膨脹珍珠巖粉25%，四級石棉9%，碳酸鈣13%，加水調和。

涂抹厚度10~15mm，要求厚度一致，光滑美觀，底部不得出現鼓包。

（4）涂刷冷底子油

冷底子油是將瀝青熔化，待冷卻到100℃以下時，加入適量的汽油（瀝青與汽油的質量比為1.2:2.5）拌和均勻。刷漆時，動作要快，要求均勻美觀。