本项目为改造工程，位于北京西大望路，管线沿市政道路由北向南敷设，终点位于百子湾南路。蒸汽管道直径DN500，凝结水管道直径DN200，管道长度1450米。蒸汽设计参数：温度300℃，压力1.4MPa。凝结水管道设计参数：温度100℃，压力1.0MPa。原敷设方式为地沟形式。
旧有管沟改造，往往对结构采用翻旧建新的方法。虽然技术方面很成熟，但在日益繁华的市政道路上，这种方式越来越难以实现。本文结合工程实际，详细阐述了旧有蒸汽管线改造设计方案中，原有管沟的情况，以及架空、地沟、直埋（钢套钢）三种敷设方式的比较选择、平面路由的确定、热补偿的选择、管线高程等方面的确定。对钢外护管预制直埋真空保温管道在组成结构、保温材料、滑动支架、外套钢管防腐、内固定支座、真空层设置、穿墙防水等方面的特点一一做了介绍。论述了工作钢管作为热补偿时，对位移空间及应力的要求，提出了对原有检查室的解决方法。详述了钢质外护管刚度及径向稳定性的计算、凝结水管道的设计方案。列举了工程实施后的实测数据，为蒸汽管道设计积累了宝贵的实践经验。
旧有管沟改造，往往对结构采用翻旧建新的方法。虽然技术方面很成熟，但在日益繁华的市政道路上，这种方式越来越难以实现。本文结合工程实际，详细阐述了旧有蒸汽管线改造设计方案中，原有管沟的情况，以及架空、地沟、直埋（钢套钢）三种敷设方式的比较选择、平面路由的确定、热补偿的选择、管线高程等方面的确定。对钢外护管预制直埋真空保温管道在组成结构、保温材料、滑动支架、外套钢管防腐、内固定支座、真空层设置、穿墙防水等方面的特点一一做了介绍。论述了工作钢管作为热补偿时，对位移空间及应力的要求，提出了对原有检查室的解决方法。详述了钢质外护管刚度及径向稳定性的计算、凝结水管道的设计方案。列举了工程实施后的实测数据，为蒸汽管道设计积累了宝贵的实践经验。
随着我国城市建设的飞速发展，供热规模不断扩大，直埋蒸汽管道技术越来越受到专业技术人员的关注。由于它具有散热损失小、占地少、运行维护工作量少、安全可靠度高等特点，因此得到了各方的认可。我院受北京热力集团委托，于2003年承接了“南线热力外线改造工程”的设计任务。成功地将直埋蒸汽管道技术应用到改造工程中。由于设计合理，管线施工周期短，于当年竣工投入使用，五年来运行一直稳定可靠。该项目是北京热力集团重点试点项目。该工程的成功，使直埋蒸汽管道技术在北京集中供热行业得到广泛推广。通过本文就“南线热力外线改造工程”设计中的难点和所采取的技术措施做一总结，供同行参考。
一、南线热力外线改造工程概况
1、工程概况
项目位于北京西大望路大望桥以南，管线由北向南穿越建国路，后沿市政道路向南敷设，终点位于百子湾南路。蒸汽管道直径DN500，凝结水管道直径DN200，管道长度1450米。蒸汽设计参数：温度300℃，压力1.4MPa。凝结水管道设计参数：温度100℃，压力1.0MPa。原敷设方式为明挖地沟形式。截止到改造时，已经运行了将近四十年，管道和设备老旧，存在很多安全隐患，迫切需要翻新改造。
1、工程概况
项目位于北京西大望路大望桥以南，管线由北向南穿越建国路，后沿市政道路向南敷设，终点位于百子湾南路。蒸汽管道直径DN500，凝结水管道直径DN200，管道长度1450米。蒸汽设计参数：温度300℃，压力1.4MPa。凝结水管道设计参数：温度100℃，压力1.0MPa。原敷设方式为明挖地沟形式。截止到改造时，已经运行了将近四十年，管道和设备老旧，存在很多安全隐患，迫切需要翻新改造。
二、方案及难点处理
（1）敷设方式的确定
根据当时的技术水平，对于热介质为高温蒸汽的热力管线，常用的敷设方式有：架空敷设和明开地沟敷设两种方式。蒸汽直埋敷设正处于蓬勃发展阶段，并已经在全国范围内得到较大的推广应用。
本工程处在城市的主要市政道路上，架空敷设由于影响市容景观不宜采用。若采用明开地沟敷设形式，原有地沟及检查室结构强度及刚度已经不能满足要求，需要拆除后新建，并且，施工时全线需要破路开槽。该管线地处繁华地带，车流量很大，必将严重影响所在道路的交通，施工很可能只能夜间进行。并且，在新建检查室时，需要对邻近的其它市政管线采取必要的保护措施，施工难度大。综上所述，施工总周期预计需要4~5个月，而热力管线的翻修建设只能在采暖期以外的时间进行，按照该方案，在当年供热是不能够实现的。
根据对本项目现场的踏勘和管线调查资料，最终，该项目采用预制直埋（钢套钢）敷设方式。原有地沟为半通行地沟，尺寸为：宽3000mm×高1250mm。局部过路口为通行地沟，尺寸为：宽3600mm×高1600mm。采用直埋蒸汽管道技术，可保留原沟，取消大部分检查室。施工时，将原地沟的沟盖板掀起，沟内填砂，安装预制蒸汽管道，降低了施工难度，缩短了施工周期，减少了对路面交通的影响。在投资方面，节省了土方量，节约了资金。
（2）平面路由的确定
原有地沟为半通行地沟，宽度尺寸为：
3000mm。尺寸上满足此次新建管道横断面的要求。可以利用原管沟平面位置，简化了审批程序，节省了时间，减少了施工中的一些不确定因素，降低了施工难度。
（3）热补偿的选择
本工程现况管线为避让高压线杆，有多处方型补偿器，设计时充分利用原路由的拐弯进行自然补偿。当自然补偿不能满足要求时，选择了补偿量大的直埋外压式波纹管补偿器，尽量减少补偿器和检查室数量，降低运行检修量。
（4）固定支座的选择
目前，固定支座在直埋蒸汽管道设计中有两种做法，一种是外固定型直埋技术，另一种是内固定型直埋技术。
外固定支座，需要有较大的空间来设置，经过实际测量，该工程管线周围地下构筑物密集，很难解决。另外，外固定支座要求在施工现场进行浇注安装，延长了施工周期，这在抢修翻建工程中是不容易实现的。
内固定支座，蒸汽管道的固定支座上受的力直接作用在钢外护管上，钢外护管具有很高的强度，安全可靠。并且，可以提前在工厂预制，施工周期短，占地小、节约投资，具有很大的优势。因此，该项目采用内固定型支座。
（5）管线高程的确定
由于现况管线地处繁华路段，市政交叉管线复杂。原有地沟高度为1250mm，大于钢外护管预制直埋真空保温管道要求的尺寸，新建管道可以利用原有高程，只需略微调整。并且，采用原高程能够避让现况其它管线。另外，原有管沟坡度小，管道上下翻弯少，采用原管沟高程，需要安装疏水器的节点少，有利于管线安全运行。因此，该工程采用了原管道高程，由于道路历经了40年的变化，管线所处的地面高程也发生了变化，设计时应该复测地面实际高程，并按照覆土深度核算钢质外护管的刚度和稳定性。
三、蒸汽直埋管道设计要点
1、钢外护管预制直埋真空保温管道的确定
国内直埋蒸汽管道中存在的主要问题是滑动支架的隔热解决不好，而且防腐的质量达不到要求，影响了管道的正常运行和使用。
根据调研，该项目决定采用北京豪特耐集中供热设备有限公司的蒸汽预制直埋真空保温管。豪特耐公司在2001年引进了在德国有几十年成功应用经验的真空"钢套钢"外滑动直埋蒸汽管道系统的全套技术，并已经有成功应用于实际工程中的经验。
钢外护管预制直埋真空保温管道的结构由内向外依次为：工作钢管、保温层、真空层、外护层钢管、防腐层。“钢套钢”直埋管道强度高，稳定性好，因此，可靠性强，使用寿命在30年以上。它具有以下特点：
（1）保温材料
选用耐高温玻璃棉管壳作为保温材料，它导热系数小，便于加工，能够保证玻璃棉均匀地包敷在工作钢管的表面。两层保温时，保温层间横缝和纵缝错缝搭接，保温层外包敷一层反射铝箔，有效地降低了管道的热损失。
（2）滑动支架
根据热水直埋管道在地沟中应用积累的经验，为减少传热，本工程对滑动支架的处理进行了改革创新，采用了管箍形式。即在工作钢管的保温隔热环外设置管箍层，并用螺栓锁紧。将滑板焊在管箍上，当管道受热伸长时，管箍随之伸长，与外护钢管预埋支架发生滑动，确保工作钢管的正常运行。并且，本工程工作钢管的保温隔热环选择了进口耐高温材料，有效的解决了"钢套钢"直埋管道的冷桥问题，能够将滑动支架处的外保护钢管的表面温度控制在60℃以内，避免了对外护层钢管的腐蚀破坏。
（3）外套钢管防腐
采用了防腐效果较好的三层PE作为外保护层钢管的防腐层，这种防腐采用机械加工，具有很好的整体性和连续性，能够与钢管紧密的粘结在一起，防水性能好，比较其它防腐形式耐温高，有效地防止了钢管的腐蚀，保证了管道30年的使用寿命。
（4）内固定支座
由于当时国内的固定支架环板间所采用的材料为圆形隔热环，这种圆环使管道受热膨胀时所产生的力通过固定支架圆盘的边缘传递，容易造成圆盘变形，影响力的传递。为了解决这个问题，通过大量的调研，最终设计采用了德国耐高温高强度隔热材料作为内固定型支座环板间的隔热材料。这种隔热材料可以均匀地分布在支架环板周围，更有利于力的传递并降低了冷桥的影响。
（5）真空层的设置
将传统“钢套钢”直埋蒸汽管道中的空气层抽成真空层，排除了空气层中的潮气及保温层中吸收的水分，有效地防止了内、外钢管的腐蚀。根据资料显示，“钢套钢”直埋蒸汽管道，采用真空系统后，将管道中的空气抽走，减少了对流换热，比非真空系统可降低散热损失约40％，管道表面温度可降低约11℃。大大降低了管道的热损失和表面温度，延长了管道的使用寿命。
（6）穿墙防水
在管道穿过检查室侧墙处，将一组波纹管与直埋蒸汽管道的钢外护管焊接，另一端焊接在墙体预埋的套管上，解决了钢外护管的受热伸长问题，使联接处安全稳定，从而达到很好的防水效果，降低了对工作钢管的腐蚀破坏。
2、工作管弯头的相关计算
利用原路由的拐弯进行自然补偿，工作管弯头作为热补偿时，应使其应力变化范围在允许应力范围之内，本项目的工作钢管计算模型符合地沟管道形式，应用美国引进的CAESARⅡ计算软件进行应力分析，使它完全满足应力要求。并且，还应计算弯头处的热位移量，验算工作管与外护管之间是否留出足够的位移空间，确保弯头能达到真正的补偿作用。
例如：本工程采用￠920×10的外护钢管，内径d1=900mm，工作钢管外径D2=529mm，保温厚度δ=100mm。管道的热伸长量
△L=a×L×（t2-t1）×1000（3-1）
式中：△L—两个固定支架之间管道热伸长量，mm；
a—管道的线膨胀系数m/m·℃；
L—两个固定支架之间管道长度，m；
t2—管道介质最高温度，℃；
t1—管道最低温度，℃；
该处管道的热伸长量应△L≤（d1-D2-δ）/2，带入数值△L≤135.5mm。根据管道的热伸长量公式，推算出固定支座至弯头之间的长度应≤33.8m，该数据对整个设计方案的确定是很重要的。若固定支墩与弯头之间的尺寸根据设计方案要大于上述方法计算的数值时，应相应加大钢外护管的尺寸，变形段采用软质保温材料。弯头的补偿空间及工作应力应同时满足要求。
3、原有检查室的解决方案
管线在1974年设计，当时该地区是工业区，工厂很多，分支也很多。受到当时技术水平的限制，补偿器的补偿量较小，原有管线沿途检查室较多，共有16座。运行、检修的工作量非常繁重，占用了很多运行管理人员。
随着城市建设的发展，工厂已逐步搬出市区，管线分支减少了，经过走访用户，分支减为6支，供4处。其中有两处是南北对开的分支，另外两处是单向分支。
设计时，选择了补偿量大的直埋波纹管补偿器，无须设置检查室，只保留4座分支小室，其它原有检查室安装管道后全部填埋，大大提高了安全性并减少了检修量。
4、真空系统的安装
真空系统由管道中的真空层、真空泵、真空阀、压力表组成。其中真空泵、真空阀、压力表均需要安装在固定场所，便于巡视及操作。本工程有四处分支，由于需要安装阀门、泄水等设备，因此保留了这四处分支检查室并进行了翻建。这些分支检查室正好做为真空泵的工作室，因此，管线具备抽真空的施工和运行检修条件。管线按照四段分别抽真空，真空度要求在20mbar以下，当管道中的真空度不满足要求时，可用移动式真空泵随时抽真空，以达到要求。
5、钢质外护管最小壁厚的确定
钢质外护管是直埋蒸汽管道的重要组成部分。它应该具有很好的刚度，保证在运行期间工作管正常移动和支座正常工作。压力管道的壁厚是根据其所需要的承压能力计算确定的。而对于直埋蒸汽管道的外护管，主要承受的是运输、施工运行过程中的外部荷载，为避免发生过大变形，有必要按照规定计算外护管的最小壁厚，使其具有一定的刚度。
（1）对钢质外护管刚度要求
根据《城镇供热直埋蒸汽技术规程》不带空气层的保温结构，钢质外护管的外直径与壁厚的比值应不大于140；对带空气层的保温结构，钢质外护管的外直径与壁厚的比值应不大于100。
（2）对钢质外护管径向稳定性的要求
在蒸汽直埋管道埋设较深或地面荷载较大的地段，外护管会发生椭圆化变形，变形量的大小与外部荷载和外护管管径大小及管壁厚度有关。要求外护管的椭圆化变形不能造成其内部保温结构的破坏，也不得阻碍工作管的轴向移动。同时对最终变形量加以限制，以免外护管会丧失承受外部荷载的能力。其直径的变形量不得大于管径的3%。
钢管径向变形的计算：
钢管在外荷载作用下的径向变形，可按照《城镇供热直埋蒸汽技术规程》公式计算：
△x=ZKWDm3/（8EI+0.061EsDm3）（3-2）
W=W1+W2（3-3）
I=δ3/12（3-4）
式中△x—钢管水平方向最大变形量（m）；
Dm—钢管的平均直径（m）；
W—作用在单位管长上的垂直荷载（N/m）；
W1—单位管长上的垂直土荷载（N/m）；
W2—地面汽车或其他重物传递到管上的垂直土荷载（N/m）；
Z—钢管变形滞后系数，宜取1.5；
K—基座系数，应按照相关表格确定；
E—钢材弹性模量（N/m2）；
I—单位管长截面惯性矩（m4/m）；
δ—钢管公称壁厚（m）；
Es—土的变形模量（N/m2），应按照相关表格确定；
作用在钢管上的土的垂直压力可按照下式计算：
W1=γhD（3-5）
式中W1—单位管长上的垂直土荷载（N/m）；
γ—回填土的重力密度（N/m3）；
h—外护管覆土厚度（m）；
D—外护管外直径（m）；
地面汽车等传递的垂直压力可按照下式计算：
W2=0.4775jcGvD/h2（3-6）
式中W2—汽车传递的垂直荷载（N/m）；
Gv—汽车的单轮轮压（N），按照道路或桥梁设计所规定的车辆载重等级取值；
jc—外冲击系数，应按照相关表格确定；
D—外护管外直径（m）；
下面列举出DN900及DN1000不同壁厚的外护钢管的计算结果：
本工程外护管平均覆土厚度1.6m，在综合考虑了设计、生产、施工等方面后，采用了￠920mm，壁厚10mm的外护钢管，满足钢质外护管刚度和径向稳定性要求。
四、凝结水管道的设计方案
凝结水管道设计参数：温度100℃，压力1.0MPa。原凝结水管道敷设方式为地沟形式，与蒸汽管道同沟。在方案选择上，若采用原有地沟形式，沟内不能填砂，与蒸汽管道的敷设形式不能协调一致。若也采用钢套钢形式，由于凝结水管道管径小、温度和压力较低，势必造成投资浪费。凝结水管道设计方案最终选用热水直埋敷设的形式，管材选用聚氨酯泡沫预制直埋保温管。它的结构由内向外依次是：钢管、报警铜线、聚氨酯泡沫保温层、高密度聚乙烯外壳。施工时，在原沟内先进行填砂，填砂厚度为不小于200mm，然后分别安装钢外护预制蒸汽管道和凝结水预制直埋保温管。两管中心距850mm。然后再进行填砂，填满后进行夯实。管线横断面如图1所示。
在热补偿方面，经过直埋管道应力计算，利用平面拐弯进行自然补偿，完全满足钢管应力要求，不需要另外增加补偿器。
选择凝结水管道直埋敷设，巧妙地与蒸汽管道结合在同一沟槽内，技术上安全可行，得到了建设方、施工方的一直认可。
五、工程实施后的实际效果
本工程当年设计，当年施工并投入运行。施工总周期仅60天。
在工程运行后，我们对管道进行了实际测试。前期准备时，已经将所有传感器在施工过程中预先埋设，将补偿导线引出地面到测试桩，待工程完工并回填后恢复路面，正式投入运行一段时间以后进行现场测试。测试结果显示，工作钢管的平均表面温度为305℃，直埋蒸汽（钢套钢）管道平均热损失为63W/m2，远远低于《工业设备及管道绝热工程设计规范》附录B中规定的：“对应工作钢管外表面温度为300℃，常年运行工况的最大允许热损失量186W/m2。实际测试外套钢管的表面平均温度为40.5℃，也低于《城市热力网设计规范》规定的60℃。根据以上数据可以看出，使用“钢套钢”直埋蒸汽管道，正确处理保温结构、滑动支架及真空系统等技术后，能够大大降低管道的热损失和表面温度，延长管道的使用寿命。
结论
直埋蒸汽管道技术在广大工程技术人员的实践和总结下，已经得到了飞速的发展。“钢套钢“直埋管道有较好的安全性，热损失小，使用寿命长。旧有管线改造，利用直埋蒸汽管道技术的优势，并根据现场条件制定可行的方案，降低了施工难度，缩短了施工周期，减少了运行检修量，大大提高了安全性和可靠性。本工程是一个成功的例子。以上是本人关于直埋蒸汽管道技术应用在改造项目中的几点体会，希望直埋蒸汽管道技术在城市集中供热事业中得到大力发展和应用。若有不妥之处，敬请指正。--北京市热力工程设计公司 胡劲秀
（1）敷设方式的确定
根据当时的技术水平，对于热介质为高温蒸汽的热力管线，常用的敷设方式有：架空敷设和明开地沟敷设两种方式。蒸汽直埋敷设正处于蓬勃发展阶段，并已经在全国范围内得到较大的推广应用。
本工程处在城市的主要市政道路上，架空敷设由于影响市容景观不宜采用。若采用明开地沟敷设形式，原有地沟及检查室结构强度及刚度已经不能满足要求，需要拆除后新建，并且，施工时全线需要破路开槽。该管线地处繁华地带，车流量很大，必将严重影响所在道路的交通，施工很可能只能夜间进行。并且，在新建检查室时，需要对邻近的其它市政管线采取必要的保护措施，施工难度大。综上所述，施工总周期预计需要4~5个月，而热力管线的翻修建设只能在采暖期以外的时间进行，按照该方案，在当年供热是不能够实现的。
根据对本项目现场的踏勘和管线调查资料，最终，该项目采用预制直埋（钢套钢）敷设方式。原有地沟为半通行地沟，尺寸为：宽3000mm×高1250mm。局部过路口为通行地沟，尺寸为：宽3600mm×高1600mm。采用直埋蒸汽管道技术，可保留原沟，取消大部分检查室。施工时，将原地沟的沟盖板掀起，沟内填砂，安装预制蒸汽管道，降低了施工难度，缩短了施工周期，减少了对路面交通的影响。在投资方面，节省了土方量，节约了资金。
（2）平面路由的确定
原有地沟为半通行地沟，宽度尺寸为：
3000mm。尺寸上满足此次新建管道横断面的要求。可以利用原管沟平面位置，简化了审批程序，节省了时间，减少了施工中的一些不确定因素，降低了施工难度。
（3）热补偿的选择
本工程现况管线为避让高压线杆，有多处方型补偿器，设计时充分利用原路由的拐弯进行自然补偿。当自然补偿不能满足要求时，选择了补偿量大的直埋外压式波纹管补偿器，尽量减少补偿器和检查室数量，降低运行检修量。
（4）固定支座的选择
目前，固定支座在直埋蒸汽管道设计中有两种做法，一种是外固定型直埋技术，另一种是内固定型直埋技术。
外固定支座，需要有较大的空间来设置，经过实际测量，该工程管线周围地下构筑物密集，很难解决。另外，外固定支座要求在施工现场进行浇注安装，延长了施工周期，这在抢修翻建工程中是不容易实现的。
内固定支座，蒸汽管道的固定支座上受的力直接作用在钢外护管上，钢外护管具有很高的强度，安全可靠。并且，可以提前在工厂预制，施工周期短，占地小、节约投资，具有很大的优势。因此，该项目采用内固定型支座。
（5）管线高程的确定
由于现况管线地处繁华路段，市政交叉管线复杂。原有地沟高度为1250mm，大于钢外护管预制直埋真空保温管道要求的尺寸，新建管道可以利用原有高程，只需略微调整。并且，采用原高程能够避让现况其它管线。另外，原有管沟坡度小，管道上下翻弯少，采用原管沟高程，需要安装疏水器的节点少，有利于管线安全运行。因此，该工程采用了原管道高程，由于道路历经了40年的变化，管线所处的地面高程也发生了变化，设计时应该复测地面实际高程，并按照覆土深度核算钢质外护管的刚度和稳定性。
三、蒸汽直埋管道设计要点
1、钢外护管预制直埋真空保温管道的确定
国内直埋蒸汽管道中存在的主要问题是滑动支架的隔热解决不好，而且防腐的质量达不到要求，影响了管道的正常运行和使用。
根据调研，该项目决定采用北京豪特耐集中供热设备有限公司的蒸汽预制直埋真空保温管。豪特耐公司在2001年引进了在德国有几十年成功应用经验的真空"钢套钢"外滑动直埋蒸汽管道系统的全套技术，并已经有成功应用于实际工程中的经验。
钢外护管预制直埋真空保温管道的结构由内向外依次为：工作钢管、保温层、真空层、外护层钢管、防腐层。“钢套钢”直埋管道强度高，稳定性好，因此，可靠性强，使用寿命在30年以上。它具有以下特点：
（1）保温材料
选用耐高温玻璃棉管壳作为保温材料，它导热系数小，便于加工，能够保证玻璃棉均匀地包敷在工作钢管的表面。两层保温时，保温层间横缝和纵缝错缝搭接，保温层外包敷一层反射铝箔，有效地降低了管道的热损失。
（2）滑动支架
根据热水直埋管道在地沟中应用积累的经验，为减少传热，本工程对滑动支架的处理进行了改革创新，采用了管箍形式。即在工作钢管的保温隔热环外设置管箍层，并用螺栓锁紧。将滑板焊在管箍上，当管道受热伸长时，管箍随之伸长，与外护钢管预埋支架发生滑动，确保工作钢管的正常运行。并且，本工程工作钢管的保温隔热环选择了进口耐高温材料，有效的解决了"钢套钢"直埋管道的冷桥问题，能够将滑动支架处的外保护钢管的表面温度控制在60℃以内，避免了对外护层钢管的腐蚀破坏。
（3）外套钢管防腐
采用了防腐效果较好的三层PE作为外保护层钢管的防腐层，这种防腐采用机械加工，具有很好的整体性和连续性，能够与钢管紧密的粘结在一起，防水性能好，比较其它防腐形式耐温高，有效地防止了钢管的腐蚀，保证了管道30年的使用寿命。
（4）内固定支座
由于当时国内的固定支架环板间所采用的材料为圆形隔热环，这种圆环使管道受热膨胀时所产生的力通过固定支架圆盘的边缘传递，容易造成圆盘变形，影响力的传递。为了解决这个问题，通过大量的调研，最终设计采用了德国耐高温高强度隔热材料作为内固定型支座环板间的隔热材料。这种隔热材料可以均匀地分布在支架环板周围，更有利于力的传递并降低了冷桥的影响。
（5）真空层的设置
将传统“钢套钢”直埋蒸汽管道中的空气层抽成真空层，排除了空气层中的潮气及保温层中吸收的水分，有效地防止了内、外钢管的腐蚀。根据资料显示，“钢套钢”直埋蒸汽管道，采用真空系统后，将管道中的空气抽走，减少了对流换热，比非真空系统可降低散热损失约40％，管道表面温度可降低约11℃。大大降低了管道的热损失和表面温度，延长了管道的使用寿命。
（6）穿墙防水
在管道穿过检查室侧墙处，将一组波纹管与直埋蒸汽管道的钢外护管焊接，另一端焊接在墙体预埋的套管上，解决了钢外护管的受热伸长问题，使联接处安全稳定，从而达到很好的防水效果，降低了对工作钢管的腐蚀破坏。
2、工作管弯头的相关计算
利用原路由的拐弯进行自然补偿，工作管弯头作为热补偿时，应使其应力变化范围在允许应力范围之内，本项目的工作钢管计算模型符合地沟管道形式，应用美国引进的CAESARⅡ计算软件进行应力分析，使它完全满足应力要求。并且，还应计算弯头处的热位移量，验算工作管与外护管之间是否留出足够的位移空间，确保弯头能达到真正的补偿作用。
例如：本工程采用￠920×10的外护钢管，内径d1=900mm，工作钢管外径D2=529mm，保温厚度δ=100mm。管道的热伸长量
△L=a×L×（t2-t1）×1000（3-1）
式中：△L—两个固定支架之间管道热伸长量，mm；
a—管道的线膨胀系数m/m·℃；
L—两个固定支架之间管道长度，m；
t2—管道介质最高温度，℃；
t1—管道最低温度，℃；
该处管道的热伸长量应△L≤（d1-D2-δ）/2，带入数值△L≤135.5mm。根据管道的热伸长量公式，推算出固定支座至弯头之间的长度应≤33.8m，该数据对整个设计方案的确定是很重要的。若固定支墩与弯头之间的尺寸根据设计方案要大于上述方法计算的数值时，应相应加大钢外护管的尺寸，变形段采用软质保温材料。弯头的补偿空间及工作应力应同时满足要求。
3、原有检查室的解决方案
管线在1974年设计，当时该地区是工业区，工厂很多，分支也很多。受到当时技术水平的限制，补偿器的补偿量较小，原有管线沿途检查室较多，共有16座。运行、检修的工作量非常繁重，占用了很多运行管理人员。
随着城市建设的发展，工厂已逐步搬出市区，管线分支减少了，经过走访用户，分支减为6支，供4处。其中有两处是南北对开的分支，另外两处是单向分支。
设计时，选择了补偿量大的直埋波纹管补偿器，无须设置检查室，只保留4座分支小室，其它原有检查室安装管道后全部填埋，大大提高了安全性并减少了检修量。
4、真空系统的安装
真空系统由管道中的真空层、真空泵、真空阀、压力表组成。其中真空泵、真空阀、压力表均需要安装在固定场所，便于巡视及操作。本工程有四处分支，由于需要安装阀门、泄水等设备，因此保留了这四处分支检查室并进行了翻建。这些分支检查室正好做为真空泵的工作室，因此，管线具备抽真空的施工和运行检修条件。管线按照四段分别抽真空，真空度要求在20mbar以下，当管道中的真空度不满足要求时，可用移动式真空泵随时抽真空，以达到要求。
5、钢质外护管最小壁厚的确定
钢质外护管是直埋蒸汽管道的重要组成部分。它应该具有很好的刚度，保证在运行期间工作管正常移动和支座正常工作。压力管道的壁厚是根据其所需要的承压能力计算确定的。而对于直埋蒸汽管道的外护管，主要承受的是运输、施工运行过程中的外部荷载，为避免发生过大变形，有必要按照规定计算外护管的最小壁厚，使其具有一定的刚度。
（1）对钢质外护管刚度要求
根据《城镇供热直埋蒸汽技术规程》不带空气层的保温结构，钢质外护管的外直径与壁厚的比值应不大于140；对带空气层的保温结构，钢质外护管的外直径与壁厚的比值应不大于100。
（2）对钢质外护管径向稳定性的要求
在蒸汽直埋管道埋设较深或地面荷载较大的地段，外护管会发生椭圆化变形，变形量的大小与外部荷载和外护管管径大小及管壁厚度有关。要求外护管的椭圆化变形不能造成其内部保温结构的破坏，也不得阻碍工作管的轴向移动。同时对最终变形量加以限制，以免外护管会丧失承受外部荷载的能力。其直径的变形量不得大于管径的3%。
钢管径向变形的计算：
钢管在外荷载作用下的径向变形，可按照《城镇供热直埋蒸汽技术规程》公式计算：
△x=ZKWDm3/（8EI+0.061EsDm3）（3-2）
W=W1+W2（3-3）
I=δ3/12（3-4）
式中△x—钢管水平方向最大变形量（m）；
Dm—钢管的平均直径（m）；
W—作用在单位管长上的垂直荷载（N/m）；
W1—单位管长上的垂直土荷载（N/m）；
W2—地面汽车或其他重物传递到管上的垂直土荷载（N/m）；
Z—钢管变形滞后系数，宜取1.5；
K—基座系数，应按照相关表格确定；
E—钢材弹性模量（N/m2）；
I—单位管长截面惯性矩（m4/m）；
δ—钢管公称壁厚（m）；
Es—土的变形模量（N/m2），应按照相关表格确定；
作用在钢管上的土的垂直压力可按照下式计算：
W1=γhD（3-5）
式中W1—单位管长上的垂直土荷载（N/m）；
γ—回填土的重力密度（N/m3）；
h—外护管覆土厚度（m）；
D—外护管外直径（m）；
地面汽车等传递的垂直压力可按照下式计算：
W2=0.4775jcGvD/h2（3-6）
式中W2—汽车传递的垂直荷载（N/m）；
Gv—汽车的单轮轮压（N），按照道路或桥梁设计所规定的车辆载重等级取值；
jc—外冲击系数，应按照相关表格确定；
D—外护管外直径（m）；
下面列举出DN900及DN1000不同壁厚的外护钢管的计算结果：
本工程外护管平均覆土厚度1.6m，在综合考虑了设计、生产、施工等方面后，采用了￠920mm，壁厚10mm的外护钢管，满足钢质外护管刚度和径向稳定性要求。
四、凝结水管道的设计方案
凝结水管道设计参数：温度100℃，压力1.0MPa。原凝结水管道敷设方式为地沟形式，与蒸汽管道同沟。在方案选择上，若采用原有地沟形式，沟内不能填砂，与蒸汽管道的敷设形式不能协调一致。若也采用钢套钢形式，由于凝结水管道管径小、温度和压力较低，势必造成投资浪费。凝结水管道设计方案最终选用热水直埋敷设的形式，管材选用聚氨酯泡沫预制直埋保温管。它的结构由内向外依次是：钢管、报警铜线、聚氨酯泡沫保温层、高密度聚乙烯外壳。施工时，在原沟内先进行填砂，填砂厚度为不小于200mm，然后分别安装钢外护预制蒸汽管道和凝结水预制直埋保温管。两管中心距850mm。然后再进行填砂，填满后进行夯实。管线横断面如图1所示。
在热补偿方面，经过直埋管道应力计算，利用平面拐弯进行自然补偿，完全满足钢管应力要求，不需要另外增加补偿器。
选择凝结水管道直埋敷设，巧妙地与蒸汽管道结合在同一沟槽内，技术上安全可行，得到了建设方、施工方的一直认可。
五、工程实施后的实际效果
本工程当年设计，当年施工并投入运行。施工总周期仅60天。
在工程运行后，我们对管道进行了实际测试。前期准备时，已经将所有传感器在施工过程中预先埋设，将补偿导线引出地面到测试桩，待工程完工并回填后恢复路面，正式投入运行一段时间以后进行现场测试。测试结果显示，工作钢管的平均表面温度为305℃，直埋蒸汽（钢套钢）管道平均热损失为63W/m2，远远低于《工业设备及管道绝热工程设计规范》附录B中规定的：“对应工作钢管外表面温度为300℃，常年运行工况的最大允许热损失量186W/m2。实际测试外套钢管的表面平均温度为40.5℃，也低于《城市热力网设计规范》规定的60℃。根据以上数据可以看出，使用“钢套钢”直埋蒸汽管道，正确处理保温结构、滑动支架及真空系统等技术后，能够大大降低管道的热损失和表面温度，延长管道的使用寿命。
结论
直埋蒸汽管道技术在广大工程技术人员的实践和总结下，已经得到了飞速的发展。“钢套钢“直埋管道有较好的安全性，热损失小，使用寿命长。旧有管线改造，利用直埋蒸汽管道技术的优势，并根据现场条件制定可行的方案，降低了施工难度，缩短了施工周期，减少了运行检修量，大大提高了安全性和可靠性。本工程是一个成功的例子。以上是本人关于直埋蒸汽管道技术应用在改造项目中的几点体会，希望直埋蒸汽管道技术在城市集中供热事业中得到大力发展和应用。若有不妥之处，敬请指正。--北京市热力工程设计公司 胡劲秀
参考文献：
［1］《全国直埋蒸汽管道技术研讨会论文集》
［2］《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》
［3］《城市热力网设计规范》
［4］《工业设备及管道绝热工程设计规范》
［1］《全国直埋蒸汽管道技术研讨会论文集》
［2］《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》
［3］《城市热力网设计规范》
［4］《工业设备及管道绝热工程设计规范》
