直埋保温管在低温环境下的应用研究

直埋保温管在低温环境下的应用研究

摘要：直埋保温管作为集中供热与供冷系统的关键组件，在低温环境（如-40℃至-20℃）下运行面临保温层脆化、外护管开裂及防水失效等风险。本文系统梳理低温环境对直埋保温管材料性能的影响机理，结合工程案例与实验数据，提出针对性的材料选型、结构优化与施工控制策略，为高寒地区直埋保温管的安全运行提供理论依据。

一、引言

直埋保温管通常由工作管（钢管）、保温层（硬质聚氨酯泡沫）和外护管（高密度聚乙烯）组成，广泛用于城市集中供热、供冷及工业管道输送。在我国东北、西北及青藏高原等地区，冬季极端低温可达-40℃以下，土壤冻深超过1.5 m，直埋保温管长期处于低温和冻融循环耦合作用中。现有研究表明，低温会导致聚氨酯泡沫导热系数升高、压缩强度下降，外护管冲击韧性显著降低，进而引发保温失效和管体腐蚀。因此，开展直埋保温管低温环境下的应用研究具有重要的工程意义。

二、低温环境下材料性能演变

低温环境对直埋保温管各层材料的影响各异。工作钢管在低温下屈服强度和抗拉强度略有提高，但韧性降低，存在脆性断裂风险；保温层聚氨酯泡沫在低温下分子链运动受限，表现为导热系数增大、弹性模量升高和压缩强度先升后降。外护管高密度聚乙烯的低温冲击强度是评价其抗开裂能力的关键指标，当温度低于其脆化温度（通常为-60℃左右）时，外护管极易发生脆性开裂。表1给出了不同低温条件下直埋保温管主要性能参数的实测变化。

表1 不同低温条件下直埋保温管性能参数

温度（℃）	聚氨酯导热系数（W/(m·K)）	聚氨酯压缩强度（MPa）	HDPE外护管冲击强度（kJ/m²）
-40	0.032	0.28	12.5
-30	0.030	0.31	16.8
-20	0.028	0.35	21.4
-10	0.026	0.38	26.9
0	0.024	0.41	32.3

三、低温环境对直埋保温管的影响机制

低温环境对直埋保温管的作用主要体现在三个方面：温度梯度效应、冻融循环损伤和土壤冻胀挤压。温度梯度效应是指管内热媒（或冷媒）与管外土壤间存在温差，导致保温层沿径向产生热应力。当温差超过材料允许极限时，保温层与工作管或外护管之间出现脱层，形成空气间隙，进一步增大热损失。冻融循环过程中，水分渗入保温层微孔，反复冻结和融化产生体积膨胀，破坏泡孔结构，使聚氨酯泡沫的闭孔率降低，吸水率上升，最终导致导热系数恶化。土壤冻胀时，冻土对管道施加径向压力和切向摩擦力，若外护管壁厚不足或材质低温脆性明显，则易产生环向裂纹。

表2 冻融循环对聚氨酯泡沫保温层性能的影响

冻融循环次数	闭孔率（%）	吸水率（%）	导热系数（W/(m·K)）
0	92.5	0.8	0.024
50	88.3	1.6	0.026
100	82.1	2.9	0.029
150	74.6	4.7	0.033
200	65.2	7.2	0.038

四、工程应用案例与数据分析

选取我国黑龙江省某市政供热管网工程作为案例，该工程采用直埋保温管，设计供回水温度为130℃/70℃，埋深2.0 m，冬季极端气温-38℃。运行三个采暖季后，对管道进行检测。结果显示，未采取低温防护措施的普通直埋保温管，外护管表面出现多处纵向裂纹，保温层吸水率升高至6.8%，热损失较设计值增加约15%。而采用耐低温改性聚氨酯泡沫（添加纳米二氧化硅和阻燃剂）及加厚外护管（壁厚从3 mm增至5 mm）的试验段，外护管无裂纹，保温层吸水率仅1.2%，热损失增加约3%。表3对比了两种方案在低温运行后的性能指标。

表3 普通方案与低温优化方案性能对比（运行3年后）

指标	普通直埋保温管	低温优化直埋保温管
外护管裂纹数量（条/100 m）	8	0
保温层吸水率（%）	6.8	1.2
导热系数（W/(m·K)）	0.036	0.027
管道表面温度（℃）	2.3	4.6
热损失增加率（%）	15.0	3.0

五、低温环境下直埋保温管的优化设计策略

针对低温环境的严苛要求，直埋保温管的设计与施工需采取系统性优化措施。第一，材料选型方面，采用耐低温聚氨酯，引入纳米增强相（如纳米SiO₂、纳米蒙脱土）以提高低温下的抗压强度和尺寸稳定性；外护管选用高密度聚乙烯专用料，并添加抗低温冲击改性剂（如乙烯-醋酸乙烯共聚物），使其脆化温度降至-70℃以下。第二，结构设计方面，适当增加保温层厚度（根据热工计算，低温地区保温层厚度应比标准值增加10%~20%），同时提高外护管壁厚，以抵抗冻胀应力。第三，补偿与锚固，在管道转弯、直管段较长处设置补偿器或预热保温技术，利用预热产生的初应力抵消低温收缩应力。第四，施工质量控制，严格控制保温层发泡温度，避免低温下泡孔塌陷；接口处采用电热熔套并加强密封，防止水分侵入。

六、结论

直埋保温管在低温环境下的应用是一项涉及材料科学、热工力学和施工技术的综合性课题。本文研究表明：低温引起聚氨酯保温层导热系数上升、压缩强度先增后减，外护管冲击韧性显著下降；冻融循环是导致保温层性能退化的关键因素。工程实例证明，采用耐低温材料和结构加厚优化措施，可将低温运行下的热损失增加率控制在3%以内，有效延长管道使用寿命。未来研究应进一步关注低温-应力耦合作用下的长期耐久性，并建立基于概率的寿命预测模型，为极寒地区直埋保温管设计提供更精确的依据。