大口径供热管道无补偿直埋热风预热施工技术攻关

(中国二冶管铁公司，内蒙古 包头 014010)
摘 要：文章介绍了大口径供热管道无补偿敷设方式的原理、拍风、预热技术的特点，预热方式、预热条件及施工方法，并提出了安全、环保措施，运用实例分析了其经济效益及社会效益。
关键词：大口径供热管道;无补偿直埋敷设；热风预热
中图分类号：TU833^＋.12  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2008)06—0234—03
1 工程概况

本工程是鄂尔多斯市康巴什新区供热管网工程，根据设计要求对大口径管道安装（DN700以上）预制保温管道采用无补偿直埋敷设方式，采用热风预热技术。整个康巴什新区供热管网预热管线累积全长12.2km×2。按设计要求分段进行预热，每个预热段均不大于1 000m。共计分12个预热段。管材采用高密度塑料外壳聚氨酯保温螺旋焊管。本工程设计管道壁温为70℃。
2 无补偿敷设方式的基本原理

在管道安装一定数量时（不大于1 000m），首先给管道加热到一定温度，当管道恢复到安装温度时(温度降低)，管道预先承受了一定的拉应力。当管道通热工作时，随着温度的升高，管道拉应力逐渐减少;当达到预热温度时，整段管道在此温度下应力为零；继续升温，管道的压应力产生，并随着温度的升高而逐渐增加，当温度升到工作温度时，管道的压应力仍然小于管道的许用应力，管道的压应力(热应力)仍小于许用应力。这样，管道可以不用补偿装置而正常工作了。这种无补偿方式应用的是第四强度理论。
3 热风预热技术特点
3.1 热风预热技术特征

①对直埋预制保温供热管道进行热风预热，使管道自由伸长，消除管道中安装残余应力；②当管道伸长量达到或接近理论伸长量时，回填沙土压住管道；③将管道降温，并在各个预热段之间用一次性补偿器连接封闭；④管道应力在运行前得到充分的释放，提高管道热伸长的均匀性。
3.2 热风预热技术优点

①管道壁温均匀升高，管道可以均匀自由伸长，试验表明预热达到理想管道预热效果；②减少补偿器和固定支墩的数量，相对传统工艺，降低工程造价；③减少管道运行时的维护、维修费用，提高系统的稳定性和安全性；④施工周期可大大缩短，预热费用较低；⑤对于环境的污染小；⑥节约能源。
4 技术创新点
4.1 减少应力集中点

预热前，管道安装时，严格控制管道安装标高，保证预热段管线坡度变化平稳，减少应力集中点。
4.2 缩短预热时间

预热前，最好增加吹扫次数，尽可能将管内试压积水泄净，缩短预热时间。
4.3 采用大风量小温差，控制送风壁温，减少温差应力

预热过程，根据设计要求的管道壁温，控制送风壁温不超过85℃，当送风壁温与回风壁温逐渐接近时，严格控制送风壁温，使整个系统维持在60℃±5℃的范围内进行恒温。
4.4 缩短回填时间，降低成本

系统恒温2h后从管道的两端开始进行沟槽回填，并在6h内（恒温）回填完毕。
5 预热方式的选择

预热管道采用预应力安装，其预热方式有三种：①利用热水作介质循环加热；②利用热风作介质通风加热；③利用电加热。

本工程结合内蒙古东胜康巴什新区缺水的特点及国内的实践经验. 确定选用热风作介质，采用大风量小温差的工艺进行热风预热。由于热风预热技术预热热源直接、预热介质轻而减少了热量传递过程，降低了换热损失，克服了预热时间长，热膨胀受到管道与砂垫层间摩擦力约束的缺陷。减少了设计膨胀量与实际膨胀量的误差，管道应力得到充分释放，提高了管道热伸长的均匀性。

由于新区道路与供热管网同时施工，过路段管网施工完毕需立即回填，因此选用两种热风预热方式。一种是无过路段的，选敞开式热风预热；一种是有过路段并回填的，选用增加一次性补偿式（覆土）热风预热。
6 预热条件

预热前管道上的三通、弯头、阀门及其他附件（一次性补偿器）均需安装完毕；预热段管线水压试验合格；敞槽预热时，其任何管段至少有一端为自由端，如任何管段中的两端均已覆土（道路要求），在该管段上应按设计规定位置增加一次性补偿器。
7 施工方法
7.1 施工准备
7.1.1 现场准备。

①预热热源。采用直燃式燃油热风机为热源，供热量为465kW，风机风量42000m³/h，风压4 000Pa，功率75kW。电源为150kW发电机。②设备布置安装。主加热设备的安装，从回水管道端口开始依次为：软接头、45°弯头、软接头、2m直管、软接头、45°弯头、主风箱、风机软接头、主风机、软接头、方变圆接头、保温直管、45°弯头、软接头、2m直管、软接头、45°弯头、软接头、到供水管结束。副加热设备的安装顺序与主加热设备一致。应注意：部分主、副配件的不同，不要安错。

热风预热设备一套，包括主、副送风机75kW两台，自耦减压启动柜两台，主、副风机两台，直燃暖风机三台，温度显示箱两台，软管，风筒若干件，减振支座两台，与其设备配套的发电机150kW两台。设备按照厂家要求进行组装。软管、风筒与供回水管线连接牢固；在预热保温管端头点焊防脱物，防止软接头脱落；确定直管位置，吊装并固定。连接完成后，将未保温管道保温；利用2台直燃式燃油热风机串联对分段预热管道进行两端开式循环加热，多热源的布置达到了精确控制热风温度的目的，又分别在主、副加热设备的进出风口和四个保温管口处安装温度计测量进出风温度和管壁温度，达到监视和控制系统加热的目的；安装温度探头。注意风温探头应穿过管壁，不能让探头接触管壁。壁温探头应放置在预制保温管口，注意使其紧贴管壁并保温；钢制平台6块，每块7.5m×1.5m。框架20#槽钢，上铺δ＝20mm钢板。主、副设备各用3块平台；由于预热设备较大，沟槽内放置不下，只能把两个预热段之间预留的长24m无管沟槽，从中间回填13m长放置平台，土方夯填至原地坪，并进行人工平整，保证设备的平稳运行。
7.1.2 技术准备。①在管段和一次性补偿器的端头做好测量伸长量的固定标志。②做好测温记录和伸长量记录。③操作人员详细阅读设备使用说明书，并能及时处理运行中可能发生的故障。④预热段的固定支墩要进行强度测定,必须达到设计要求,支墩四周回填完毕方可进行热风预热。
7.1.3 材料准备。根据厂家提供的数据，热风机和发电机每小时消耗柴油206.6kg，预热前要备足10h的用油量。根据不同的环境温度，选用不同规格的轻柴油为燃料。
7.2 预热程序

记录及操作人员需全部到位，先关闭主、副循环风机风门，分别启动主、副风机。先启动主热风机的主风机和辅助风机，再启动副热风机的主风机和辅助风机。主、副风机启动后，同时慢慢打开风机风门，达到需要的工况（送风温度达到80℃，回风温度达到60℃）。开主、副风箱排风门开启角为30度，调整风箱内呈微负压。向预热管道内送风，同时点燃两个风箱的主、辅燃烧器，加热空气，预热开始。两个燃烧器正常运行10h后，观察温度箱上的温度变化。根据需要分别加入三台热风机，提高升温速度。观察出风温度，管道温度逐渐上升。管道两端和一次性补偿器将发生位移。每30min记录一次各点温度，进行对比分析。观察两端出风温度，当＞75℃时，应考虑停止三台热风机供热，降低出风温度。观察回风温度，在55℃～60℃时应考虑停止主燃烧器供热，改用热风机供热，注意控制出风温度。当回风温度达到66℃时，基本上升温阶段结束，进入保温阶段。在保温阶段三台热风机为主要供热源，分别调整热风机前的两个小风门，控制热量的加入，以保持循环风的温度相对稳定。预热过程中，根据设计要求的管道壁温，控制送风壁温不超过85℃，当送风壁温与回风壁温逐渐接近时，应控制送风壁温，使整个系统维持在60℃±5℃的范围内进行沟槽回填。每隔30min记录预热温度和预热伸长值。预热伸长值接近设计要求时，使系统维持在设计壁温±5℃的范围内，进行恒温，2h后从管道的两端开始进行沟槽回填。并在6h内（恒温）回填完毕。为了减少恒温的时间，准备好细砂、原土及回填用的机械设备。对直埋保温管道产生的侧向变形较大的区域，如弯头、三通、阀门等处，为使其在压实的回填土内可以移动，当管道埋深大于1.2m时,要求设置泡沫垫或填粗砂的部位,其管顶覆土厚度超过600mm后才可以夯实。沟槽回填同时焊接一次性补偿器，使其与管道成为整体。预热管道回填完毕，待管道冷却至环境温度时，在相邻两个预热管道之间焊接直埋式波纹补偿器，并进行回填做好标记。回填完毕，关闭设备,完成一个预热段。下一个预热段按同样程序进行。
8 操作要点

做好测温记录和伸长量记录：

预热伸长量的计算：
△L＝α×（tp－tc）×L（mm）
式中：[ZK(]△L—管道伸长量mm；
α—管道膨胀系数（0.0126mm/m℃）；
tp—预热温度℃（70℃）；
Tc—环境温度℃；
L—预热段管道长度m。
预热温度的确定：
tdp＝tm＋（0～8）℃
式中：   tdp—实际预热的温度℃；
tm—中间（理论预热）温度℃。

控制送风壁温不超过85℃。预热过程中，两端送风室温、壁温均不得相差20℃。避免温差过大，产生温度应力。
9 安全、环保措施

①发电机和热风机要有专人操作、保养，施工前要按操作规程，进行检查、维护，保证热风预热顺利进行，并对机具设备作好防火措施。②对输电线路进行检查，对用电和发电设备进行可靠的接地或接零，不得混接。③施工现场临电设施，要执行三相五线制，要执行一机一闸一保护。④夜间测试点处要设有足够的照明设施。⑤备用柴油要放置干燥安全处，并放置防火措施。⑥装有柴油的柴油桶及发电机不得放置在沥青路面上，避免破坏路面。
⑦保护好施工现场周围的绿化树苗，不得随意践踏。⑧施工完毕，现场要工完料净，路面要清扫干净。
10 质量标准

热风预热是一项新的工艺，没有可执行的施工规范及标准，施工的依据为：设计文件及设备厂家提供的设备使用说明书。

此项工艺的关键工序是焊接，关键部位是管件焊接。预热段管线所有焊接焊缝均作100%X射线检测，焊缝质量等级为Ⅱ级；管道安装标高及中心线，必须满足设计要求及规范规定。

管道安装、焊接执行《城镇供热管网工程施工及验收规范》CJJ28-2004  J372-2004。
11 工程应用实例

2005年10月至2006年11月期间（冬季未进行），热风预热技术应用于鄂尔多斯市康巴什新区供热管网工程中，共完成了12个预热管段，管径DN800-DN1200，总计供回水管线12.2km×2。预热温度为70℃。
在环境温度低于10℃的情况下：

预热段经三路-西经七路，管径DN800，单线长553m，9h达到预热温度，实际热膨胀与设计值差13mm。

预热段东经七路，管

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