劉勛德，李勉之

（中鐵三局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

長輸供熱是我國目前重點(diǎn)推廣的一種供熱采暖方式，這種方式是一種更加具有經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性的供熱模式[1]（發(fā)電廠→加壓泵站→換熱站→熱用戶）。目前管道預(yù)熱可分為水預(yù)熱、風(fēng)熱預(yù)熱及電預(yù)熱這幾種。郭彬[2]提出從安全角度出發(fā)，總結(jié)現(xiàn)階段市政熱力管道施工技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，優(yōu)化施工技術(shù)方案。蔡蕊[3]根據(jù)電預(yù)熱技術(shù)在直埋供熱管道的應(yīng)用，提出了具有相對有效補(bǔ)償安裝工藝成本低、操作簡單和工期短的觀點(diǎn)。武斌[4]在預(yù)熱安裝可以在不增加管道壁厚的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了通過安裝少量的一次性補(bǔ)償器能夠有效降低軸向應(yīng)力和局部失穩(wěn)的危險(xiǎn)性。本文在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了預(yù)熱方式的選擇需要從安全節(jié)能、節(jié)約成本、周期短、效率高等方面切入，提出了電預(yù)熱無補(bǔ)償器方式作為優(yōu)先推廣選擇的施工方式。

1 工程概況

本項(xiàng)目由托克托電廠敷設(shè)長輸供熱管線至呼和浩特市區(qū)，全長共104km，沿線設(shè)置2 座中繼泵站及1 座隔壓換熱站。項(xiàng)目管網(wǎng)建設(shè)包括長輸供熱管網(wǎng)主干線（由托克托電廠至呼和浩特市班定營村隔壓換熱站，管徑4×DN1 600mm、路由長度72km）、市區(qū)南線主干線管網(wǎng)（由班定營隔壓換熱站沿三環(huán)南路向東敷設(shè)至濕地公園東三路延長線，管徑2×DN1 600mm、路由長度7.0km）、市區(qū)北線主干線管網(wǎng)（由班定營隔壓換熱站沿二環(huán)西路向北敷設(shè)至二環(huán)北路，然后沿二環(huán)北路向東敷設(shè)至呼倫貝爾北路，管徑2×DN1 600mm，路由長度分別為17.43 和5.39km）。管網(wǎng)設(shè)計(jì)壓力為2.5MPa，設(shè)計(jì)流量為39 542t/h，設(shè)計(jì)供水溫度為130℃，設(shè)計(jì)回水溫度為35℃，其中供水管采用灌注式發(fā)泡的預(yù)制直埋保溫管，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T29047-2021?；厮懿捎美p繞式預(yù)制直埋保溫管執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為CB/B4611-2017，壓力管道類別為GB2 類，設(shè)計(jì)工作年限不小于30 年。

2 預(yù)熱方法及優(yōu)缺點(diǎn)

水預(yù)熱方法：利用熱水在管道內(nèi)的循環(huán)，將供熱管道加熱到預(yù)熱溫度。優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)周邊有方便并且可以利用的熱源時，采用水預(yù)熱比較經(jīng)濟(jì)。缺點(diǎn)：當(dāng)沒有方便并且可以利用的熱水為預(yù)熱管道提供熱源時，必須具備加熱設(shè)備對預(yù)熱管道提供熱水熱源，預(yù)熱費(fèi)用相對高。

風(fēng)熱預(yù)熱方法：利用風(fēng)熱設(shè)備管道中的風(fēng)進(jìn)行加熱，以達(dá)到將保溫管道加熱到預(yù)熱溫度的效果。優(yōu)點(diǎn)：以風(fēng)為介質(zhì)，預(yù)熱介質(zhì)輕，在預(yù)熱時明顯減少了熱量因傳遞產(chǎn)生的熱損失，提高了預(yù)熱效率，解決了用水預(yù)熱方式時間較長的缺陷。缺點(diǎn)：風(fēng)預(yù)熱產(chǎn)生的熱風(fēng)，在管道中流動時與空氣大面積接觸就存在大量的熱損失，正常情況下預(yù)熱管道始端溫度會比末端管道的溫度高，約為20℃左右，嚴(yán)重影響了管道預(yù)加熱產(chǎn)生熱伸長的均勻性。

電預(yù)熱方法：該方法是通過使鋼管充當(dāng)電阻體，應(yīng)用電力實(shí)現(xiàn)鋼管的升溫。其明顯優(yōu)勢在于鋼管內(nèi)部不含任何傳熱介質(zhì)，保證了熱能沿管道長度方向的均勻分布，縮短了預(yù)熱所需時間。此外，在敞開式預(yù)熱過程中，管道不會擁有錨定區(qū)域，從而有效保證了管道預(yù)熱伸長的最佳效果[5]。

3 電預(yù)熱工藝原理

直埋式保溫鋼管采取管道電加熱的方式進(jìn)行預(yù)熱，如圖1所示，這一過程通過向保溫鋼管施加低壓高流量的直流電進(jìn)行加熱[6]，加熱的目的是使鋼管達(dá)到其設(shè)計(jì)溫度的50%左右（例如托克托長輸供熱工程中為60℃），這樣做的原因是讓鋼管受熱發(fā)生膨脹，從而產(chǎn)生軸向的伸長（供熱管道在通電升溫過程及正常供暖運(yùn)行中既會沿軸向也會徑向進(jìn)行熱膨脹與收縮，但由于管道長度通常遠(yuǎn)超過其直徑，所以通常只考慮沿軸向的伸縮）。待鋼管伸長至設(shè)計(jì)長度后，即采取固定措施，其中固定鋼管的主要方式是借由鋼管管腔的回填土和覆蓋在鋼管頂部的土壤所產(chǎn)生的摩擦力來實(shí)現(xiàn)。

圖1 電預(yù)熱工藝示意圖

采用上述工藝為熱力輸送管提前施加特定的拉力，此舉確保了在管路開始正式運(yùn)行并達(dá)到管線預(yù)熱溫度時，其內(nèi)應(yīng)力歸零。隨后溫度上升至正常使用溫度時，管道所承受的壓力應(yīng)力會比允許應(yīng)力水平低，因此無需使用補(bǔ)償裝置也能保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，該方法還能預(yù)防管道在工作時由于溫度帶來的應(yīng)力過高導(dǎo)致的異常伸展或潛在的結(jié)構(gòu)性損壞。

4 電預(yù)熱施工工序

4.1 施工工藝

供熱管道施工工藝如圖2 所示。

圖2 供熱管道施工工藝示意圖

4.2 電預(yù)熱施工要點(diǎn)

（1）根據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行區(qū)段的劃分，建議將500 ～1 000m 劃分為一個預(yù)熱段。

（2）依照常規(guī)施工流程進(jìn)行管溝挖掘，對管道進(jìn)行焊接且完成無損檢測、進(jìn)行耐壓測試以及施行接口保溫處理[7]。

（3）確保預(yù)熱成效，必須清除鋼管內(nèi)部的積水直至完全排空。

（4）當(dāng)達(dá)到預(yù)熱要求時，必須實(shí)施預(yù)防管線橫向位移的手段，并以沙土作為回填材料將管溝填滿至不超過管體外部直徑3/4 的高度。

（5）如圖3 所示，在管端處焊固14 顆錨栓（型號M12 或M16，長度需小于50mm），使其間距保持不少于100mm，方便電纜的安置。錨栓的裝置點(diǎn)要遠(yuǎn)離管端不少于30mm，且焊接需要完全穿透嚴(yán)密，嚴(yán)禁出現(xiàn)未焊透的部分。

圖3 錨栓焊接工藝示意圖

（6）平整電預(yù)熱設(shè)備放置場地，保障預(yù)熱設(shè)備擺放位置干燥（防止漏電等安全隱患，對人員和設(shè)備的安全造成威脅）、安全（距離基坑不得小于1.5m 且與管端錨栓位置的電纜連接長度不得超過8m）。

（7）安裝溫度傳感器：在管頂距離管端（預(yù)熱設(shè)備存放端）向內(nèi)管尾方向12m 處管道保溫的塑料保護(hù)外殼上開口，以安裝溫度檢測傳感器，確保將檢測探針緊密接觸并牢固地安置在鋼質(zhì)管道表層。

（8）在預(yù)熱管道縱向的前后兩端，分別安裝一臺同一廠家生產(chǎn)的測量儀器（通常選用刻度清晰準(zhǔn)確的米尺），用來測量管道縱向膨脹后的伸長量及降溫后的回縮量。

（9）在管道末端安裝密封裝置。

（10）將電纜連接鋼管管端和設(shè)備，如圖4 所示。

圖4 管道設(shè)備安裝工藝示意圖

（11）打開機(jī)器開關(guān)后，記錄初始溫度。

（12）電預(yù)熱過程中要嚴(yán)格控制升溫速度，因本項(xiàng)目管徑為DN1 600，所以升溫速度控制在2℃/h（施工期間溫度為25℃～32℃，電預(yù)熱段的預(yù)熱時間控制在20h 左右）。期間每小時巡檢一次，并做好電預(yù)熱施工記錄。在達(dá)到預(yù)設(shè)的加熱溫度后（本項(xiàng)目長輸部分設(shè)計(jì)供水溫度130℃，預(yù)熱溫度為60℃），檢查各個管道的總長度，管道伸長量如式（1）所示，看其是否滿足預(yù)定的總長度要求，及時組織進(jìn)行驗(yàn)收。

預(yù)熱管道伸長量的計(jì)算：

（13）當(dāng)完成四方現(xiàn)場驗(yàn)收流程后，需立即組織人員機(jī)械設(shè)備按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管溝回填，并逐步進(jìn)行分層流水夯實(shí)作業(yè)，如圖5 所示，確?；靥钔撩軐?shí)度滿足設(shè)計(jì)圖紙要求，且符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《城市供暖管線工程施工和驗(yàn)收規(guī)范》（CJJ28）的規(guī)范要求，并應(yīng)在規(guī)定時間（24h，不超過30h）內(nèi)完成回填土工作。必須按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分層夯實(shí)，如果由于回填質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求而出現(xiàn)預(yù)熱段回縮量超過設(shè)計(jì)要求，則預(yù)熱失敗，需重新預(yù)熱[9]。應(yīng)當(dāng)自預(yù)熱管道段的雙側(cè)逐步進(jìn)行回填作業(yè)，若無法在短期內(nèi)完成回填夯實(shí)，則會引發(fā)預(yù)熱管道段產(chǎn)生過度的回縮現(xiàn)象。

圖5 管道回填工藝示意圖

（14）回填土分層高度和壓實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，立即關(guān)閉預(yù)熱設(shè)備（防止資源浪費(fèi)），拆除附件。

5 電預(yù)熱施工注意事項(xiàng)

（1）為了阻止氣體的流動，影響管材的伸展，需要在預(yù)熱管段的兩端用帽子或塑料薄膜進(jìn)行封閉。

（2）電預(yù)熱時可以帶著閥門一起預(yù)熱，閥門井需要在電預(yù)熱完成后方可修建。

（3）所有分支三通在電預(yù)熱完成前，不得與三通分支進(jìn)行連接，電預(yù)熱過程中必須敞溝。

（4）除在預(yù)熱段末端為了形成回路而進(jìn)行的連接，兩條供水管道其余部位禁止出現(xiàn)橫向聯(lián)通形成短路。

（5）彎頭和彎管可以參與電預(yù)熱，但需按照冷安裝進(jìn)行選型和敷設(shè)，以保護(hù)彎頭和彎管，使其能夠安全運(yùn)行。

（6）彎頭和彎管雖具備一定補(bǔ)償能力，但如果其兩端連接的直管段在冷安裝敷設(shè)情況下運(yùn)行時的受熱變形不能被其完全吸收，并且直管段又過短而不能獨(dú)立進(jìn)行預(yù)熱（獨(dú)立預(yù)熱回縮量過大），則需將直管段、帶彎頭和彎管劃分在同一個預(yù)熱段中進(jìn)行預(yù)熱。

（7）管溝回填必須按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分層夯實(shí)。如果由于回填質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求而出現(xiàn)預(yù)熱段回縮量超過設(shè)計(jì)要求，則預(yù)熱失敗，需重新預(yù)熱。

6 結(jié)論

發(fā)電廠熱源通過長輸管道為城市進(jìn)行供熱，是我國減少能源消耗的有效途徑，節(jié)能增效、安全可靠、經(jīng)濟(jì)性好是加熱工藝發(fā)展的趨勢。本文提出長輸管道電預(yù)熱（無補(bǔ)償器）加熱工藝相比其他傳統(tǒng)工藝（水預(yù)熱、風(fēng)熱預(yù)熱）能更好地保障預(yù)熱效率，適合廣泛應(yīng)用的結(jié)論，具體表現(xiàn)為：

（1）電預(yù)熱工藝可以克服環(huán)境對管道加熱效果的影響；

（2）電預(yù)熱工藝更加節(jié)約成本，縮短施工周期；

（3）電預(yù)熱工藝操作更加方便安全。