直埋供热管道工程设计-第二版

乙烯外护管（以下简称外护管）、硬质聚氨酯泡沫塑料保温层（以下简称保温层）、工作钢 管或钢制管件组成的预制直埋保温管（以下简称保温管）及其保温管件和保温接头的产品 结构、要求、试验方法、检验规则及标识、运输与贮存等。该标准适用于输送介质温度 （长期运行温度）不高于120℃，偶然峰值温度不高于140℃的预制直埋保温管、保温管件 及保温接头的制造与检验。 2013年修编，2014年正式实施了中华人民共和国行业标准《城镇供热直埋热水管道 技术规程》CJ/T81一2013。原标准已不能满足现阶段工程实际的需要。结合直理管道工 程中的经验和教训，并吸收国内外相关标准精华和研究成果编制而成。该标准适用于管径 不大于1200mm的直埋供热管道工程

五、预制保温管直埋敷设的优点

紧固件标准勾敷设与直埋敷设供热管道经济技术比较（DN20

聚氨酯硬质泡沫塑料吸水率低，小于10%，这是其他保温材料不可比拟的。低导热率 和低吸水率，加上保温层外面防水性能好的高密度聚乙烯或玻璃钢保护壳，解决了传统的 地沟敷设供热管道“穿湿棉”状况，大大减少了供热管道的整体热损失。 据天津大学建筑设计研究院测试“氰聚塑直理供热管道”的热损失，和用普通保温材 料保温的直埋供热管道比较，热损失降低40%~60%。 据北京煤气热力设计院测试结果，采用聚氨酯硬质泡沫塑料保温的保温管是采用沥青 珍珠岩、水泥珍珠岩瓦作保温材料的保温管热损失的25%～40%。 根据太原市热力公司的测试，聚氨酯硬质泡沫塑料保温管，每10km降温1～2℃。 据天津市自来水公司所统计的直埋和地沟敷设热损失比较及折合煤耗的平均比例为

1：2.53，直理敷设比地沟敷设减少耗煤量约40%。20世纪90年代全国每年供热耗煤约 1.27亿t，如果能降低耗煤20%，则全国每年可节标煤2540万t（相当于两个特大矿务局 年产量）。 3.防腐、绝缘性能好、使用寿命长 预制直理保温管聚氨酯硬质泡沫塑料保温层牢固地粘接在钢管外表面，阻止了空气和 水的渗入。因为硬质聚氨酯泡沫塑料的发泡孔都是单独封闭、互不连通的小圆孔，闭孔率 很高，因此它的吸水率很低。同时高密度聚乙烯外保护层、玻璃钢外保护层等均具有良好 的防腐、绝缘和机械性能，因此也能起到良好的防腐作用。所以只要管道内部水质处理 好，保温管道使用寿命至少可达30年甚至更长，比传统的地沟敷设寿命提高3～4倍。 在地下水位高的地区，地沟敷设供热管道由于地沟内积水，甚至夏季也浸泡在水中， 保温层极易被水泡坏，再加上地表水的盐碱腐蚀，年年需要维修。不仅热损失剧增，增加 了供热成本，而且缩短了钢管的使用寿命。直埋管道整体性好，只要做好接口保温就可有 效地解决地下水位高及地沟敷设供热管道防水的困难。工程实践证明，直埋供热保温管可 以在河床底部直埋穿越。 4.占地少、施工快、有利于环境保护和减少施工扰民 直理供热管道不需要砌筑庞大的地沟而只需开槽，因此大大减少了工程占地，减少土 方开挖量约50%，减少土建砌筑和混凝土量80%，减少沟土外运量50%以上。同时保温 管制造和施工开槽同时进行，保温管只需在现场焊接和现场接头保温，因此可以大幅度缩 短工期。 由于减少了砖、水泥、砂石、余土等的运输，从而减少了施工过程中汽车尾气排放 量、扬尘量、噪声排放量，保护了环境。 由于缩短工期，减少了管沟施工过程中对居民出行的影响，缩小了施工过程对道路交 通的影响。 总之，供热管道采用直埋敷设与地沟敷设相比，有不可比拟的优越性，具有显著的社 会效益、经济效益、节能效益，这些优点是城镇集中供热管网直埋敷设得以大力推进的有 力保证。

直理供热管道可以在施工现场保温，也可以在工厂预制，运抵现场。但工厂预制可以 控制生产环境，确保工程质量。钢管在工厂保温以后，再运送到施工现场，组对焊接，进 行安装。 若预制直理保温管的结构不同，直理管道设计原理和方法也因此而不同。工厂预制保 温管和现场发泡外护玻璃钢保温管相比，总体质量有较大的差别。所以采用的敷设方式和 更用场所也应有所区别。本章重点介绍三位一体的工厂预制保温管和现场发泡外护玻璃钢 保温管的技术性能和规格

一节预制直埋保温管类型

2.按保护壳材料分类 （1）高密度聚乙烯塑料（俗称夹克）保护壳 （2）玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂塑料（俗称玻璃钢）保护壳。 （3）采用其他材料的保护壳，如螺旋焊接钢管、直缝焊接钢管、波纹管等。 3.按保温管加工场所分类

第一章预制直埋保温管

（1）工厂预制保温管：预制保温管在工厂进行加工制作。 （2）现场预制保温管：这种产品是为了节省供热管道工程造价，20世纪90年代应运 而生的一种简易的直理供热管道。钢管运送到施工现场进行发泡保温，保温后缠绕玻璃钢 保护壳。 4.按保温层和热媒钢管的结构形式分类 （1）脱开式保温管：保温层和钢管之间涂一层低熔点的涂料，如低标号沥青、重油 等。它受热后熔化，管道可以在保温层内自由伸缩，绝热层和回填砂土保持静止状态。这 种脱开式主要用于高温复合保温管，如输送蒸汽的预制直埋保温管道。 （2）整体式保温管：钢管、保温材料、保护壳三部分牢固地粘接在一起，形成一个整 本结构。当钢管受输送介质温度升高热膨胀时，绝热层随之一起膨胀移动。整体式保温管 主要用于热媒温度在130℃以下的场合

第二节预制直理保温管构造

第三节预制直埋保温管性能

保温管的生产执行国家标准《高密度聚乙烯外护管硬质聚氨酯泡沫塑料预制直理 管件》GB/T29047一2012。现将其主要技术性能分述如下

工作钢管的性能应符合以下要求： （1）工作钢管的尺寸公差及性能应符合相应的标准规定：

第三节预制直埋保温管性能

（2）工作钢管的材质、公称直径、外径及壁厚应符合设计要求，单根钢管不应有环 焊缝； （3）发泡前工作钢管表面应进行预处理，去除铁锈、轧钢鳞片、油脂、灰尘、漆、水 分或其他沾染物； （4）工作钢管外表面除锈等级应符合相应的标准规定

采用聚氨酯硬质泡沫，其性能应符合表1

聚氨酯硬质泡沫性能要求

：1.耐热性试件50×50×50（mm），精度土0.1mm。恒温箱96h，温度120士2℃，体积变化率不大于2.4%。 2.国内一些单位的改性脲酸酯硬质泡沫耐热性能名义上可达150℃，实际上在山西省一些城市使用或试验测试中，耐 热温度最高在135℃以下

高密度聚乙烯硬质塑料外护管性能指标

外护管轴线与工作钢管轴线间的最大轴线偏心距

第一章预制直埋保温管

玻璃钢保护壳技术性能要求

四、渗漏警报线装置的要求

由于装设渗漏警报线装置投资较高，目前国内直理保温管使用警报线装置的城市很 少。但是检漏是供热直埋热水管道预防事故、缩短事故维修时间、保证安全供热不可或缺 的技术措施，随着国民经济实力的增强必将投入使用。根据国外资料，装设警报线装置应 意以下几点： （1）导线应平行布置，在任何地方都不能交叉； （2）导线应尽量拉直放置，接头应牢固； （3）导线在任何位置都不能与钢管相接触； （4）警报线之间、警报线与钢管之间合适的电阻值应大于500MQ2； （5）报警线材料及安装应符合CJJ/T81一2013的规定。

五、高温型预制复合直埋保温管技术性能

高温型预制复合直埋保温管无机隔热材料性能

第四节预制直埋保温管规格

预制保温管规格（mm）

注：本书后面章节中所有数据的计算涉及管材尺寸的，均采用本表数据。

直理预制保温管制造工艺的研究和发展很快。我国引进发达国家的先进技术约30年 之久，可采用全自动生产线生产直埋预制保温管（包括配件），生产效率高，产品质量有 保证。本章简要介绍直埋预制保温管采用的化学原料及生产工艺。讨论影响预制保温管产 品质量的工艺因素，用于管道组对接口现场发泡保温的质量控制

第一节聚氨酯硬质泡沫塑料保温层

硬质泡沫塑料是指在一定负荷作用下，不发生变形，当负荷过大时，产生变形，变形 后不能恢复原来形状的泡沫塑料。硬质泡沫塑料是泡沫塑料的一种，是指弹性模量大于 700MPa的泡沫塑料。国际标准化组织ISO还规定将其压缩至50%再解除压力后厚度减少 10%以上的泡沫塑料为硬质泡沫塑料。 所谓聚氨酯硬质泡沫塑料是指：聚醚（或聚酯）多元醇和异氰酸酯在催化剂以及其他 助剂（发泡剂、匀泡剂等）作用下进行聚合反应，并逐渐形成具有一定密度、一定强度、 低导热率以及耐一定温度的高分子材料。直理埋预制保温管采用聚氨酯硬质泡沫作保温层具 有如下优点。 （1）导热系数低，绝缘性能好，粘合力强，保温效果好，优越的抗老化性能，使用寿 命长。 （2）重量轻、比强度高，尺寸稳定性好，便于供热管道的长途运输，施工搬运等。 （3）成型简单、操作方便，对工厂、现场施工等适应性强。 （4）反应混合物具有良好的流动性，能顺利充满复杂的模腔或空间。 （5）原料的反应性高，可以快速固化，能高效率的批量生产。 （6）有效地防止水、湿气以及其他多种腐蚀性液体、气体的浸透，防止微生物的滋生 和发展。 （7）原料来源广泛。目前全世界聚氮酯泡沫产量达到1690万吨以上

二、聚氨酯泡沫塑料的合成原理3

1.聚氨酯合成的主要反应 聚氨酯合成的主要化学反应如下。 （1）异氰酸酯与醇的反应，带有端羟基的聚淳（如聚酯、聚醚及其他多元醇）与多异 氰酸酯反应，生成聚氨酯类聚合物，这是合成聚氨酯最基本的反应。 （2）异氰酸酯与苯酚的反应，异氰酸酯和酚的反应情况与醇相似，但由于苯环的吸电 作用，使酚的羟基中的氧原子电子云密度下降，致使它与异氰酸酯的反应活性下降，该类 反应主要作为异氰酸酯的封闭反应。

第一节聚酯硬质泡沫塑料保温层

一步法发泡的优点是，只要将两种组分送人混合室，就可以发泡。施工现场管道之间 的接口保温、现场发泡保温多数采用这种方法，进行非连续的模具内发泡。 制造聚氨酯泡沫体既可以用水与异氰酸酯反应，放出二氧化碳作为发泡剂气体的来 源，也可以利用多元醇或其他活性氢化合物和异氰酸反应时产生的大量反应热，使外发泡 剂（低沸点惰性溶剂如R11、三氯甲烷等）汽化来作为发泡气体的来源。 采用哪种方法可根据制品性能和不同发泡工艺要求而定，也有两种方法并用的。前者 由于分子链中生成脉基，可以提高泡沫体的刚度和强度。反应过程中产生的气体越多，泡 沫制品的密度越小，因而可以通过调节异氰酸酯和水的用量或外发泡剂的用量来控制泡沫 制品的密度。 聚氨酯泡沫合成过程描述如下。 （1）二氧化碳或R1发泡体系中，在催化剂作用下，异氰酸酯和水、异氰酸酯和多元 醇开始反应。由于都是放热反应，反应过程不断放出热量，促使反应液体系温度升高，低 沸点溶剂如R汽化或二氧化碳生成，从而使溶液中气体浓度迅速增加。当气体浓度增加 到超过某一平衡饱和度后，溶液中开始形成微小的气泡，这时可以看到反应液从原来的透 明状态变成带有乳色的混浊状态，这种现象称为乳白现象。从混合开始到出现乳白状态的

第二章预制保温管制造工艺

二、聚氢酯硬质泡沫塑料主要原料及助剂

1.王要原料 1）异氰酸酯 异氰酸酯是一类反应性极强的化合物，这是由它本身的化学结构所决定的。它具有较 多的不饱和基团一N三C三O，除了能和许多化合物进行聚合反应外，还可本身加热或在催 化剂作用下发生自聚及脱羰等反应。异氰酸酯是聚氨酯硬质泡沫塑料的主要原料。常用的 异氰酸酯有以下三种： （1）多苯基多次甲基多异氰酸酯。即粗制二苯基甲烷二异氰酸酯（粗MDI），或称聚 合MDI也称PAPI。 （2）粗制甲苯二异氰酸酯，即粗TDI。粗TDI约含85%TDI，其他均是副产品。粗 TDI的活性小一些，成本也较低，主要用于一步法聚醚型聚氨酯泡沫塑料的制造。 （3）精制甲苯二异氰酸酯，即TDI。早期的聚氨酯硬质泡沫塑料较多的使用TDI，以 TDI为原料的聚氨酯硬质泡沫塑料，平行和垂直泡沫上升方向的物理性能差别较小，但其 介格高，产品密度小。 预制保温管常用的异氰酸酯是多苯基多次甲基多异氰酸酯，即粗MDI。它具有如下特 点：①粗MDI的蒸汽压力小，生产过程中产生的挥发性气体少，对操作人员健康危害小； ②耐热性好；③脱模性好，制造的产品表面光滑。 2）多元醇 常用于发泡的多元醇有聚醚、聚酯和其他含羟基化合物。 聚酯型多元醇生产的聚氨酯称为聚酯型聚氨酯，聚酯型聚氨酯硬质泡沫塑料具有强度 高、闭孔率高、黏合性能好等优点，但同时文具有聚酯黏度大、操作困难、价格高等缺 点，因此，制造保温管常采用聚醚型多元醇。常用的聚醚有以下六种：

第一节聚氨酯硬质泡沫塑料保温层

（1）甘油一 一环氧丙烷聚醚； （2）三羟甲基 一环氧丙烧聚醚； （3）季戊四醇 一环氧丙烷聚醚； （4）山梨醇一 环氧丙烷聚醚； （5）甘露醇 环氧丙烷聚醚； （6）熊糖 一环氧聚醚。 选择聚醚时，要综合考虑。价格应低，黏度不宜大，与异氰酸酯和一氟三氯甲烷R， 等原料的互溶性好。 多元醇的结构对生成的泡沫塑料影响很大。其中，相对分子质量和官能团数直接影响 聚合物的交链度。交链度越高，聚合物的硬度越大。 2.其他助剂 1）催化剂 它是成型过程中一个很重要的影响因素。 聚氨酯生产过程中，常用两种或两种以上的催化剂，用来调节链增长速度与交链速度 之间的平衡。常用的催化剂有两类，一类是叔胺类化合物，另一类是金属烷基化合物类催 化剂。 2）泡沫稳定剂 泡沫稳定剂能改善体系的表面强力，改善原料的混合性，并能调节泡沫塑料的闭孔大 小与结构，使泡沫塑料制品的泡孔细而均匀，性能良好。制造聚醚型聚氨酯硬质泡沫塑料 常用的泡沫稳定剂是有机硅类化合物，特别是聚二甲基硅氧烷，采用这类泡沫稳定剂，泡 沫塑料的孔径均匀，闭孔率高，绝热效果好。也可采用如硅油等黏度较低的二甲基硅 氧烧。 3）发泡剂 发泡剂大致有两类：一类是外发泡剂，另一类是内发泡剂。 （1）外发泡剂，采用含氯含氟的烃类化合物，如一氟三氯甲烷（R），沸点为 23.7℃，三氟三氯乙烷（R113），沸点为47.9℃，二氯甲烷，沸点为40℃。这些发泡剂加 入原料中，一旦异氰酸酯与多元醇反应，放出热量就能迅速汽化。 常用的外发泡剂是一氟三氯甲烷R1，这是由于它能带走反应生成热，所得的泡沫塑 料导热系数小，表面较光滑。 （2）内发泡剂，即二氧化碳，它是异氰酸酯和水起反应生成的。 4）添加剂 添加剂包括耐燃剂，抗老化剂、颜料等。这些添加剂只是在特殊需要时加入。更详细 的资料参见参考文献【3]。

三、聚氨酯硬质泡沫配方举例

应当注意，下面的例子只是一个参考，不能照搬应用于生产。因为实际生产过程中，要根 据原料情况、气候环境、生产方式等多种因素进行调整、试配，才能获得合格的产品。

第二章预制保温管制造工艺

聚氢酯硬质泡沫配方（气温在20℃以上

S=(VX)X1.

第一节聚氨酯硬质泡沫塑料保温层

工注入适用于小批量生产和现场接头组对

采用注人发泡成型方法制造保温管，其过程如下， （1）按配方比例将各种化学原料倒入容器进行混合、搅拌。 （2）将搅拌好的混合料注入模具。 （3）化学反应、发泡。 （4）脱模、检查、修整（管中管、一步法制造时无此工序）。 （5）制得聚氨酯硬质泡沫塑料保温管产品

五、采用注入成型制造保温层的工艺因

第二章预制保温管制造工艺

原料温度与环境温度的高低，以及环境温度恒定与否直接影响泡沫塑料的质量。环境 温度以20～30℃为宜，原料温度宜控制在20～30℃范围内或稍高一些。 环境温度低，化学反应速度缓慢，泡沫塑料固化时间长；温度高，化学反应速度快 泡沫塑料固化快。温度过高或过低都难以制的优质产品。当环境温度不易调节控制时，可 以适当调剂原料的温度或调节催化剂的用量。 2.模具温度 羟基与异氰酸酯反应是一个放热过程。放出的热量使一氟三氯甲烷等外加发泡剂汽化 而形成泡沫。模具温度的高低直接影响反应热移走的速度。模具温度低，发泡倍数小、密 度大、贴近模具的表皮厚；模具温度高则相反。通常，模具温度应控制在40～60℃。 3.熟化温度和时间 熟化是指泡沫塑料固化后，在一定环境温度下放置的过程。其目的是让化学反应进行 完全，提高产品质量。一般熟化时间为30～60min，但制品应放置24h以上。熟化温度越 高，所需时间越短。因此，应在脱模前把制品与模具一起放在较高温度的环境中熟化。为 此，预制保温管最好是在具有一定温度的车间内进行。现场组对接头时，特别是环境温度 较低时，可采用红外线加热等局部加温方法，以保证接头处泡沫塑料质量与工厂内预制的 保温管质量基本相同。由此可见，应避免寒冷冬季管网直理施工，防止管道组对接口现场 保温质量差，从而影响直理管道的整体寿命。 4.原料的混合 注入发泡成型时，反应液在混合室内（机械）停留的时间很短，一般仅为数秒或数十 秒。所以混合效率是一个很重要的因素。反应液混合的均匀，泡沫塑料制品泡孔细而均 习。混合不好，泡沫粗而不均匀，甚至在局部范围内出现化学组成不符合配方要求的现象 如脆化、变色、夹生等，大大影响产品质量。

5.模具 由于聚氨酯硬质泡沫发泡过程中产生： 定的压力，所以模具应有足够的强度。为了 得到平整的保温层表面，模具内表面要光滑， 国内常用模具由不锈钢制造。 6.发泡压力 注人发泡成型过程中，发泡压力是一个 值得注意的参数。发泡成型过程中，发泡压 力是随时间而变化的。反应原料注入后，压 力逐渐上升，达到最高值后，逐渐降低。如

第二节高密度聚乙烯外护管（保护壳）

制造保温管时，首先用专门的设备挤出高密度聚乙烯保护壳，然后向保护壳与钢管之 间注入发泡剂。目前，制造高密度聚乙烯塑料保护壳的专用设备，多数是从德国、意大 利、瑞典等国引进的。

低压高密度聚乙烯塑料保护壳（HDPE）

第三节玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂（玻璃钢）保护壳

低压高密度聚乙烯是最简单的不饱和烃（即乙烯单体），经过低压聚合而成的一种烃 族树脂，原料来源于石油。 高密度聚乙烯是20世纪50年代发展起来的。德国于1953年、美国于1954年分别制 造出高密度聚乙烯，并均在1957年开始工业生产。 高密度聚乙烯之所以作为直理预制保温管保护壳材料是因为它具有如下优点： （1）质量轻，密度为941～965kg/m，便于远距离运输和施工搬运。 （2）强度高，抗压强度可超过20MPa。 （3）脆化温度低（一80℃），优良的低温性能和韧性使其能抵抗车辆搬运和施工过程 中的机械振动等外界因素的冲击。 （4）抗渗透能力强

二、预制保温管生产线工艺流程

三节玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂（玻璃钢）保护

干维增强不饱和聚酯树脂

由于玻璃钢成型简单、价格便宜、能满足强度要求、适应各种规格等优点，目前国内 大部分生产预制保温管的厂家特别是现场预制的厂家，采用这种材料作为保温管的保护 壳，如天津建筑塑料制品厂、北京直埋保温管厂、北京华海节能制品发展中心、青岛崂山 保温管厂、太原塑料二厂等。

（1）不饱和聚酯树脂。之所以称为不饱和是因为它的分子链上含有不饱和的双链，固

电力标准第二章预制保温管制造工艺

化时双链打开，与交联剂苯乙烯双链结合，分子由线型交联为网状结构。树脂则由流态转 变为固态（固化过程）。常用牌号有306、307、314、771、199等。 （2）固化剂。因为树脂固化过程取决于双键打开及结合速度，在常温下是不易打开和 聚合的。但在过氧化物存在下，这个过程就可以进行。过氧化物极不稳定，很容易分解产 生自由基，这种自由基就可将双键打开，产生新的自由基，并引起连锁的聚合反应。 一般常用的1号固化剂是50%的过氧环乙酮另加50%的邻苯二甲酸二丁酯溶液，2号 固化剂是50%的过氧化二苯甲酰另加50%的邻苯二甲酸二丁酯溶液。 （3）促进剂。为了加速过氧化物产生自由基，固化剂内需要加配促进剂。常用促进剂 有1号促进剂、2号促进剂。1号促进剂是90%的环氧酸钻液加20%的苯乙烯溶液，2号 促进剂是90%的二甲基苯胺加10%苯乙烯溶液。 固化剂、促进剂的加入量以及环境温度直接影响着树脂的固化速度。 （4）玻璃纤维布 制造预制保温管保护层所用的玻璃纤维布，一般采用中碱无捻粗纱方格玻璃纤维布 经纬密度为6×6或8×8（纱根数/cm）。厚度一般以0.3～0.5mm为宜。有时也可用长 纤维玻璃布。这种纤维比较适合缠绕工艺

三章热水预制保温管直理敷设断面图设计

直埋管道横断面设计，指从直埋管道轴线的垂直方向做剖面图设计。根据管道及其阀 门、补偿器等外形尺寸以及必备的施工空间，合理设计供回水管的间距、砂垫层的厚度利 基底处理方法石油标准，合理确定管道的敷设深度等。这些内容都将影响土壤作用于管道的压力、 机动车对管道的冲击力，影响管道的整体稳定性、径向稳定性以及工程造价，是一个技术 经济问题。 预制直埋供热管道可敷设在车行道下、人行便道或绿化地带下。埋设深度和方法除了 和上述因素有关外，还和管道管径、敷设方式等有关。本章重点介绍供热管道横断面的布 置方法、纵断面的布置方法、直埋管道承受的土壤垂直静土压和机动车的垂直动土压力。

当管线平面位置确定后，机械开挖或人工开挖沟槽。开挖沟槽的宽度与管道直径大

它沟槽。开挖沟槽的宽度与管道直径大