電預熱技術(shù)在直埋熱力管道中的應(yīng)用

潘小杰 白四紅

摘要：隨著城市規(guī)模擴大，城市熱網(wǎng)承擔的熱用戶也日趨龐大，熱負荷的增加，使得管網(wǎng)管徑和距離也在增加，而大口徑熱力管道在決定壁厚時，需要綜合管道運行安全性的多個方面，本文以某熱力工程為例探討電預熱技術(shù)在直埋熱水管道安裝中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電預熱;直埋;熱水管道;壁厚;局部屈曲

1背景

電預熱技術(shù)應(yīng)用于城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)中較高運行溫度不超過140℃的熱水預制直埋保溫管道，是目前國際上較為先進的預制直埋保溫管無補償預應(yīng)力安裝方式。對于直埋熱水供熱管道，電預熱安裝方式屬于無補償安裝方式的一種，與無補償冷安裝方式相比，不僅可以減小工作鋼管壁厚、降低工程造價，還可以有效地減小管道運行時的熱應(yīng)力。因此，電預熱安裝方式對于大管徑熱水管道具有明顯優(yōu)勢，近年來電預熱安裝方式在大管徑直埋熱水供熱管道的安裝中得到了廣泛的應(yīng)用。

2工作原理

電預熱技術(shù)的原理是將工作鋼管作為電阻，通過電纜將工作鋼管與電預熱設(shè)備連接形成回路，將鋼管溫度加熱到設(shè)計預熱溫度，使管道產(chǎn)生一定拉應(yīng)力（產(chǎn)生軸向位移），回填后，在保溫管道工作管、保溫層、外護管與土壤摩擦力作用下使管道保持此拉應(yīng)力。當保溫管道運行時，隨著介質(zhì)溫度的升高，原拉應(yīng)力逐漸減小，當介質(zhì)溫度達到電預熱安裝溫度時，保溫管道拉應(yīng)力為零，介質(zhì)溫度再升高，管道產(chǎn)生壓應(yīng)力，介質(zhì)溫度達到設(shè)計溫度時管道產(chǎn)生的壓應(yīng)力小于管道許用應(yīng)力或者滿足管道局部屈曲安全要求，從而保證管道的安全性。

3工程條件

以某供熱工程為例，設(shè)計供熱能力1200MW， DN1400管道溝槽長度23km，設(shè)計壓力2.5MPa，設(shè)計供回水溫度130/60℃。本工程的管道管材采用L360管線鋼，其屈服強度360MPa，抗拉強度為460MPa，許用應(yīng)力為153MPa。

根據(jù)《長輸供熱熱水管網(wǎng)技術(shù)標準》（征求意見稿）提供的局部穩(wěn)定性驗算公式，對于設(shè)計壓力2.5MPa、設(shè)計溫度130℃的DN1400管道，在預熱安裝溫度60℃，供水管道壁厚δ為18mm時，管道外徑1420mm，管道半徑r為710mm，長直管段的壓應(yīng)力為σ，E為鋼材的彈性模量，α為鋼材的線膨脹系數(shù)。

r/δ為39.4>28.7，則σ=αE（t1-t0）=120MPa≤〔σ〕=9250δ/r+11.7=246MPa，滿足局部穩(wěn)定性驗算要求。

如采用冷安裝，σ=αE（t1-t0）=288MPa≤〔σ〕=9250δ/r+11.7。

δ=21.2mm，實際圓整管道壁厚為23mm（r/δ=30.9>28.7）。

本工程DN1400管道，無補償冷安裝供水管道壁厚23mm，回水管道壁厚16mm;無補償電預熱安裝供水管道壁厚取18mm，回水管道壁厚16mm;則每米管道重量差別為170kg，每1km管道增加投資約85萬（按L360價格5000元/噸計算）。

電預熱工程一般為1km為40萬元，因此電預熱安裝每km投資低45萬元。

4預熱工序

a. 熱網(wǎng)按電預熱和自然補償結(jié)合方式敷設(shè)，設(shè)計安裝溫度為10℃，預熱溫度為60℃，預處理管段的伸長量為0.012×L×（60-預熱管段初始應(yīng)力為零時管道溫度）（mm），L為預熱段長度，一般為500-1000m，不宜大于1200m。

b. 管溝內(nèi)不得有任何可能阻礙管道自由伸長的土石方或結(jié)構(gòu)。在彎頭處不進行覆土（距離彎頭3m），以便彎頭在受熱后可以運動。

c. 供水管和回水管之間除了為了形成回路在鋼管末端安裝的專用的電纜外，不能在其它地方形成短路。

d. 按照設(shè)計要求用中粗砂回填管溝，回填高度不得超過管道外徑的3/4處。

e. 若預熱段內(nèi)有混凝土固定墩，如果在預熱施工之前制作固定墩，電預熱施工應(yīng)在預熱管線上的固定墩混凝土固化達到設(shè)計強度以后進行;如果在預熱施工以后制作固定墩，應(yīng)在預熱管段收縮穩(wěn)定以后進行施工。為避免形成短路，供、回水管道固定墩之間不應(yīng)有鋼連接。

f. 如管道上有三通，則三通須在預熱前施工。預熱后盡量不要在主管上開三通，如果需要開口，須制定加強方案。

g. 采用分段預熱時，預熱管段之間應(yīng)留有2～3米的空間，在下一管段進行預熱時，上一管段的回縮量宜一并補足。總伸長量應(yīng)滿足要求。預熱段之間及預熱段與非預熱段之間預熱完成后采用短管連接。

h. 預熱段全部回填夯實前，應(yīng)維持預熱溫度。

i. 電預熱施工按一般施工程序開挖管溝，焊接管道并做完接頭保溫工作→按照設(shè)計要求用砂回填管溝，回填高度不得超過管道外徑的3/4處→用電纜連接鋼管管端和設(shè)備→開機預熱，同時記錄相關(guān)數(shù)據(jù)→達到目標溫度和熱伸長量后，進行回填和夯實。

5預熱計算

根據(jù)管道設(shè)計計算結(jié)果，供水管道D1420×18，回水管道D1420×16，管道預熱計算。

由于預熱時管道覆土3/4，按直埋計算熱力管道平均熱損失約20kW，管道從5℃加熱至預熱溫度60℃時間約32h。總計預熱消耗電能約1.1萬kW·h。

預熱后的最大過渡段長度參照《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》（CJJ81-2013）計算，預熱后管道最大過渡段長度為340.6m，預熱段最大軸向力為990kN。

預熱工程允許的最大不預熱長度為預熱后管道最大過渡段長度340.6m，考慮活動端彎頭等的阻力，建議最大不預熱長度取300米。

6預熱對埋地熱力管道的影響

a. 預熱降低項目投資

由于大口徑熱力管道一般多為長輸管道，供水溫度高，局部屈曲對管道徑厚比要求較高，如按冷安裝敷設(shè)，管道壁厚較大，而預熱安裝可以降低對管道徑厚比的要求。大口徑熱力管道電預熱技術(shù)的應(yīng)用，不管是相比采用厚壁管還是采用補償器的形式，都降低了管道的整體投資。

b. 預熱降低管道整體應(yīng)力

預熱降低了循環(huán)過程中的最大應(yīng)力，冷安裝時，管道最大軸向力為1391kN，當量應(yīng)力372MPa;預熱安裝時，管道最大軸向力990kN，當量應(yīng)力249MPa;管道應(yīng)力降低124MPa，提高了管道系統(tǒng)的安全性和可靠性。

c. 降低了管道活動端的位移量

如某段管道整體長度360米，管道過渡段長度為180米，采用冷安裝時管道活動端位移量為238.1mm，采用預熱安裝時管道活動端位移量為124.7mm。由于管道位移量的降低，因此彎頭等活動段的也降低了支線設(shè)計的難度。

7電預熱需要注意的問題

a） 在采用短管連接時，要保持管道恒溫在設(shè)計預熱溫度，使管道不回縮，從而保證管道的設(shè)計伸長量。由于施工時的環(huán)境溫度波動、現(xiàn)場的氣象條件變化等因素的影響，對溫度降速度、管道回縮的速度很難把握，這就給短管連接時的下料、短管與管道之間對口造成了困難。此外，如果管道溫度降過大，則必須停止焊接，再次預熱管道至設(shè)計預熱溫度，才能再次焊接。

b） 預熱需要在管道完全回填之前進行，會增加管道施工時間。

c） 由于供水管道和回水管道采用不同壁厚時，供水管道壁厚大，電阻相對較低，因此回水加熱溫度高于供水加熱管道。

d） 由于管道0應(yīng)力狀態(tài)對應(yīng)溫度為電預熱實際等效溫度，在常溫狀態(tài)下，管道實際承受拉應(yīng)力，管道投運后，如新增支線等開口需要先采取加強措施，以避免形成局部應(yīng)力集中，才能開口。

8結(jié)論

隨著城市規(guī)模擴大，城市熱網(wǎng)承擔的熱用戶也日趨龐大，電預熱技術(shù)在大口徑直埋熱水管道中應(yīng)用會日趨增多。

電預熱技術(shù)能夠顯著降低管道運行時壓應(yīng)力，在滿足管道運行安全性和可靠性基礎(chǔ)上降低管道整體投資。當然電預熱技術(shù)在應(yīng)用過程中也有需要注意的問題，如預熱段之間的連接，管道后期開口等。

參考文獻：

1. 皮特·蘭德勞夫（著）、賀平、王鋼（譯）.區(qū)域供熱手冊[M].哈爾濱工程大學出版社，1998：58-65.

2. 城市建設(shè)研究院、北京市煤氣熱力工程設(shè)計院有限公司.CJJ/T81-2013城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程 [S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.