直埋預制保溫管無補償安裝技術

董 松 裴玉嬋 孫 煒

中國化學工程第六建設有限公司 湖北襄陽 441100

20 世紀80 年代初，為降低大口徑管道的運行風險及減少管網中補償器等施工薄弱環節，歐洲產品廠家及設計單位總結出無補償電預熱敷設方式，此方式成為解決上述問題的最有效途徑。經過多年實際工程應用和驗證，無補償電預熱敷設方式以其節約能源、施工周期短、投資小、壽命長、安全可靠等一系列優點在城市供熱工程中被廣泛應用，逐步取代有補償敷設方式。

1 無補償電預熱技術特點

1.1 供熱管網施工技術分類

城鎮供熱管網直埋預制保溫管設計和施工中，分為有補償直埋敷設、無補償直埋敷設兩種方式。

（1）熱力管道有補償直埋敷設方式是通過管線自然補償或增加補償器吸收管道運行中產生的膨脹變形，從而使管道的軸向應力最小，來解決管道熱伸長量的問題，達到解決管道熱應力最小的目的。由于在管網中大量應用補償器和固定支架，增加檢查井、閥門井，不僅降低了管網的安全性，而且大大增加了管網的建設投資。

（2）熱力管道無補償安裝主要是在管道施工的同時就回填，在管網中設置少量的補償器和固定支架，管道安裝介于有補償安裝與無補償安裝之間。通過管道預熱，將一半膨脹變形和管道軸向應力提前釋放，從而有效解決熱力管道中對管道運營安全以及施工要求較高的難題。

1.2 供熱管網無補償預熱方式和施工條件

熱力管道的無補償預熱施工目前有3 種方式：熱水預熱、風預熱和電預熱。熱力管道的預熱施工條件主要有以下要求：

（1）熱水預熱要求要有加熱鍋爐，其管道要焊接完形成連續的回路，同時還要準備一次性補償器和閥門等，對現場的施工要求比較高，施工成本也較高。

（2）風預熱與熱水預熱一樣，對施工的設備要求較高，管道也必須焊接完形成回路，預熱的時間長，效果較差。

（3）電預熱是最近幾年從國外引進的新的預熱技術，其預熱的專用設備比較小，對預熱管道的要求較低，移動方便，而且管道無須形成回路，對預熱段的劃分非常有利；同時也不需要在管道上設置一次性補償器和閥門，預熱效果較好，預熱成本也較低。

1.3 無補償電預熱技術優勢與特點

1.3.1 施工條件對比

（1）當沒有便利條件時，則需要大量的循環熱水和與之配套的鍋爐、水泵等設備對預熱管道提供熱水熱源，管道中必須為預熱工作準備閥門和一次性補償器，而且在管道預熱之前，預熱管道必須焊接完畢形成連續的回路。

（2）風預熱需要具備大功率風機對管道提供持續風源，預熱管段必須焊接完畢，形成完整回路，以便氣流順利通過。風預熱設備拆裝比較困難。

（3）電預熱除專用的預熱設備以外，對預熱管道其他要求相對較低。由于管道中不用流通水或者風等介質，因此，不需要管道形成封閉的回路，也不需要在管道中設置一次性補償器和閥門。電預熱是一種不造成環境污染的新型管網安裝方式。

1.3.2 預熱效果對比

（1）水預熱溫度比較均勻，但由于管道在預熱過程中必須注滿熱水，所以管道重量很大，管道與土壤之間的摩擦力較大，因此，設計伸長量不容易達到。大管徑管道水預熱時，管道中容易出現錨固段，影響預熱的效果。

（2）由于熱風在管道回路中流動時熱損失非常大，因此，管道的預熱溫度不均勻。通常情況下，管道起始端和末端的預熱溫差在20℃左右，影響管道熱伸長的均勻性。

（3）電預熱管道是將鋼管作為電阻，利用電能對鋼管進行加熱。由于鋼管中沒有介質，因此，管道沿長度方向預熱均勻，預熱時間短，而且管道中不存在錨固段，能夠達到理想的管道預熱效果。

3 種不同預熱方式的簡單比較如表1 所示。

表1 3 種不同預熱方式的簡單比較

由以上分析可以得出，無補償電預熱安裝技術由于其具備較多的優勢，將會越來越多地用于城鎮供熱管網的施工當中。

2 無補償電預熱技術適用范圍及技術原理

（1）無補償電預熱安裝主要應用于城市熱網中最高運行溫度不超過140℃的熱水直埋保溫管道。由于無補償預熱安裝采用了提前釋放應力的技術，從而在很大程度上減少了固定支架與補償器的數量，這一方面降低了工程造價，另一方面由于補償器使用數量的減少，提高了熱網運行的可靠性，降低了熱網的運行維護費用，是目前國際上廣泛應用的先進的熱水直埋保溫管道安裝方式。

（2）無補償電預熱安裝方式以其構造簡單、占地少、施工周期短、維修量小、運行耗電量少、壽命長等優勢，已成為城鎮熱網的主要安裝方式。

無補償電預熱技術原理為通過電纜將電預熱設備與工作鋼管連接并構成閉合回路，把低電壓、高電流的電能作用于預熱管段；利用電阻發熱的原理，將工作鋼管的溫度加熱到設計預熱溫度。通過導體的電流強度越大，時間越長，發熱量就越多。根據熱脹冷縮的原理，保溫管在升溫的過程中，熱量增多，長度也不斷伸長，當保溫管的伸長量達到設計預熱伸長量時即可進行回填。為了使回填過程中鋼管的伸長量不回縮，需繼續預熱保持恒溫，直到焊接完成、回填結束方可停止預熱。電預熱原理如圖1 所示。

圖1 電預熱原理圖

3 無補償電預熱技術工藝流程

測量放線→溝槽開挖→管底填砂→管道及閥門、管件安裝→焊口探傷→接頭保溫→感溫光纖綁扎→電預熱回填→試運行調試→竣工驗收。

4 無補償電預熱技術操作要點

4.1 測量放線

（1）根據建設單位提供的樁點進行管線測量放線，樁點每隔100m 一處。

（2）管線定位放線后進行水準測量，根據建設單位提供的高程基準點進行水準測量，將管線每50m 引測一個高程基準點。另外將沿線施工范圍內的地形、地上地下障礙物進行核查，并做好詳細記錄，確定好障礙物位置并在施工圖上標示清楚。

4.2 溝槽開挖

（1）根據施工現場條件、設計開挖深度、土質、有無地下水等因素選用不同的開槽段面，確定各施工段的槽底寬、邊坡、留臺位置、上口寬、堆土及外運工程等施工措施。

（2）當施工現場條件不能滿足開槽上口寬度時，應采用相應的邊坡支護措施，在地下水位高于槽底的地段應采取排水、降水措施。

（3）機械開挖預留200mm 預留量，人工配合機械挖掘，人工挖至槽底標高。

4.3 中粗砂回填

槽底填砂適用粒徑小于7mm 砂，填砂密實度達到90%，槽底填砂厚度為20cm。

4.4 管道鋪設

（1）無補償直埋供熱管道采用外保護套管為聚乙烯的預制直埋保溫管。

（2）保溫管材及管件進場后應進行表面檢查。

（3）管道運輸采用起重機配合運輸車輛運輸至施工現場，并沿溝排開。運輸及布管時應注意裝卸車時采用平衡吊帶法，避免吊裝時磕碰保溫層應采用帆布吊帶，吊帶選用按管材重量考慮。

4.5 管道組對

（1）管道組對前，對管道中心線及標高進行復測，復測結果需符合設計規定。檢查坡口質量，坡口表面應整齊、光潔，無裂紋、銹皮、熔渣等其他影響焊接質量的雜質，如有不合格的坡口需進行修整。

（2）管道組對用汽車吊對口，用千斤頂進行微量調整，吊裝管道采用吊帶，管口組對時應做到外壁平齊、對口錯邊量符合焊接工藝要求。

（3）螺旋焊管對接時，管道螺旋焊縫應錯開，距離不應小于300mm，管道任何位置不得有十字焊縫。

4.6 管道焊接

（1）焊接工藝采用氬弧焊打底，手工電弧焊填充及蓋面。

（2）編制焊接工藝評定報告及焊接工藝指導書。

（3）選用持證焊工施焊，每個焊工施焊前進行現場考試測驗，合格的人員才可施焊。

（4）第一層氬弧打底，焊縫根部應均勻焊透，不得燒穿。每層焊完之后應認真清渣，除去表面氣孔、夾渣等缺陷，焊縫焊完后應將其表面焊渣和飛濺物清理干凈。

（5）氬弧焊底層焊完后，需檢查其根部是否有缺陷，如有未焊透、弧坑、內凹等缺陷，立即采取措施進行返修。在第二層焊完后需進入管道內進行檢查，查看是否有擊穿現象。

（6）焊接時，對于焊接環境需進行記錄，對焊接過程進行全天監控，對于不能保證焊接質量的天氣，采取防護措施或不得焊接，否則會影響焊接質量。

4.7 焊口外觀檢查

（1）焊口焊完后，應立即清除渣皮、飛濺物，清理干凈焊口表面，然后進行外觀檢查。

（2）焊縫尺寸應符合要求、焊縫表面應完整，高度不應低于母材表面，并與母材圓滑過渡。

（3）不得有表面裂紋、氣孔、夾渣及融合性飛濺物等缺陷。

4.8 無損探傷檢查

（1）焊縫表面檢查合格后，進行X 射線探傷，管道的每道焊縫進行100%探傷，Ⅱ級為合格。

（2）焊縫無損探傷合格后方可進行接頭保溫。

4.9 管道接頭保溫施工

4.9.1 保溫補口工藝準備

正式補口前，應通過工藝試驗確定補口工藝參數和工藝規程，以保證補口的質量。鋼管補口作業宜在15℃以上、空氣相對濕度85%以下施工。如不能達到上述要求，應采取相應措施施工。

4.9.2 熱縮帶安裝

清除熱縮套和外套管粘接部位的泥土及污物，清除寬度大于熱縮帶的寬度，有油污的地方用酒精清洗干凈，并將粘接部位打毛，打毛寬度大于熱縮寬度。將熱縮帶膠層向內包覆在接口處，并保證熱縮帶在搭接處居中位置。

先用小火依次將搭接的兩層熱縮帶烘烤至膠層微化并搭接固定住，再將膠層已烘烤過的壓蓋居中扣在搭接縫上，然后用中火來回均勻烘烤壓蓋直至壓蓋與熱縮帶完全粘接無翹邊和氣泡，加熱過程中可用手套或壓滾撫平壓蓋使其與熱縮帶緊密粘接。

壓蓋壓緊后，從熱縮帶的中部開始，首先烘烤與套管搭接的一邊，烘烤時應從底部開始，并遵循由下向上、由里向外的烘烤規則，以避免氣泡產生。

加熱收縮時應仔細觀察熱縮帶邊沿是否有熱熔膠溢出。待收縮完畢后，再次檢查熱縮帶和壓蓋是否有翹邊和氣泡存在，若有應及時修補排除氣泡保證熱縮帶和壓蓋平整。熱縮帶安裝如圖2 所示。

圖2 熱縮帶安裝圖

4.9.3 氣密試驗

在外套管上一端先鉆一個孔，將壓力表安裝在孔部，擰緊固定螺栓；開啟空氣壓縮機，壓力升至0.02MPa 用肥皂水進行檢驗，不得漏氣；若聚乙烯熱縮帶部位漏氣應進行修補，然后進行氣密性試驗，合格后方可進行聚氨酯發泡；將外套管打壓孔擴鉆，作為聚氨酯發泡的排出和排氣孔。

4.9.4 聚氨酯發泡

當氣密性試驗合格并滿足相應規定后，可進行聚氨酯發泡。接頭發泡質量驗收標準如表2 所示。

表2 接頭發泡質量驗收標準

4.10 電預熱施工

4.10.1 電預熱施工的工藝原理

無補償直埋供熱管線焊接安裝完畢后，應用電預熱技術將預熱管段伸長至此段管網運行后最大伸長量的一半，預熱后馬上回填夯實，利用鋼管、保溫層、外保護層及土壤各部分之間的摩擦力，使鋼管冷卻后不至于回縮。此時鋼管一直處于拉伸狀態，運行時管道的一半膨脹變形已經提前釋放，管道軸向應力降低至有補償安裝的一半，在運行期間，供管線就不會出現拉伸屈服狀態。

4.10.2 預熱溫度及伸長量的確定

（1）電預熱設備設置預熱目標溫度計算：

式中：Tm——電預熱設備設置溫度，℃；

t1——供熱管設計最高溫度，℃；

t2——管道敷設后所處環境最低溫度，℃。

（2）預熱管道伸長量的計算：

式中：△L——預熱管道伸長量，m；

X——鋼材的平均線膨脹系數，取值0.0012；

Tm——電預熱設備的設置溫度，℃；

t3——電預熱開始時鋼管的溫度，℃；

Lr——管與預熱的管道長度，m。4.10.3 電預熱施工的主要施工技術。

分段電預熱一般宜以直管段1000m 為1 個預熱段，管線中如有彎頭等管件，適當縮短預熱段，并且彎頭處管溝兩側留出位置，彎頭距管溝溝壁近時，需開挖兩側，留出足夠的空間。

在被預熱管道管口焊接M22×80 螺栓，用于連接預熱機，始末兩端每個管口焊接螺栓12 套，間距80mm，將預熱管道與預熱機用電纜連接。連接處接觸緊密、結實，不得有虛接現象，螺栓焊接要滿焊。

按照計算好的預熱目標溫度，設置預熱設備，在被預熱管線兩端及彎頭兩側設置標尺觀測點，并派專人重點觀察保護，防止在預熱工程中損壞移動，另外在管線每100m 處設置標尺觀測點，并派專人沿線觀察保護。

電預熱采用功率為1200kW 柴油發電機加熱管道，加熱至目標溫度一般需要12～18h，加熱后保溫時間為12～24h。

電預熱施工要配置專業人員4 人，分兩組，每組2 人12h 值班，1 人操作看護電預熱設備，1 人巡查管線。

管道預熱需在焊接完畢、探傷檢查合格并接頭保溫后進行。預熱時需排干溝內積水、管口處無水漬方可進行，而且在預熱過程中不得有水接觸管道金屬面否則不能進行預熱。預熱完成回填后，24h 內需測量管線回縮量。

4.11 電預熱施工工藝

4.11.1 電預熱前需完成的工作

管道焊接、保溫補口、感溫光纖綁扎、溝槽回填。

4.11.2 電預熱前的準備工作

（1）為確保預熱效果，需要將鋼管內的積水排放干凈，按照設計要求回填管溝，回填高度不得超過管道外徑的3/ 4 處，預熱前溝槽回填示意如圖3 所示。

圖3 預熱前溝槽回填示意圖

（2）在管端處焊接螺栓（M12 或M16，長度小于50mm），每個螺栓之間相距不小于100mm 以便于安裝電纜，安裝位置距管端不小于30mm，螺栓須滿焊。

（3）安裝溫度傳感器：在保溫管上距離管端（放置預熱設備端）向內12m 處的塑料外殼上開口，以安裝傳感器，必須將傳感器探頭緊密貼合并固定在鋼管表面。

（4）預熱管段兩端分別安裝一個長度檢查裝置，用來測量管道伸長量。

（5）在管道末端安裝密封裝置，將電纜連接鋼管管端和設備，如圖4 所示。

圖4 電纜連接鋼管與電預熱設備示意圖

4.11.3 電預熱施工

（1）打開機器開關后，記錄初始溫度。本工程設計供/ 回水溫度為130℃/ 60℃，設計預熱溫度為60℃。

（2）達到預熱溫度后，測量預熱伸長量是否符合設計計算值，達到要求后24h 內對管道進行分層夯實回填，壓實度符合設計要求，避免預熱費用增加。

（3）回填完畢，管道冷卻至環境溫度后，測定最終伸長量，最終伸長應符合設計要求。

4.11.4 回填施工及技術要點

（1）回填砂施工及注意事項：在預熱開始升溫時，將砂回填至管中心位置，防止管道在升溫后橫向位移；在預熱溫度達到目標溫度時，觀察管道伸長量達到計算值后開始進行回填；回填砂每30cm 為一層，回填一層后，用平板振搗器進行夯實；砂回填至管頂以上20cm 處，壓實后進行回填土，砂回填每層要進行密實度測試，密實度大于95%為合格。

（2）回填土施工及注意事項：回填土分層鋪攤，每層30cm 為一層，采用挖機或鏟車往溝內鏟土，人工鋪攤，在管頂以上80cm 部分采用蛙式打夯機進行夯實，每層至少3 遍，打夯應一夯壓半夯，行行相連，縱橫交叉；回填管頂80cm 以上時夯實采用壓道機碾壓配合蛙式打夯機進行，每層填土夯實后，應按規范規定進行土壤密實度檢測，達到要求后進行上一層的回填，密實度大于95%為合格；回填土料過干時應按規定灑水濕潤后再夯實，防止造成夯不實，越夯打越松散現象；回填土料過濕不能進行回填，防止造成越打越軟，呈“橡皮泥”狀態；填土全部完成，應進行表面整平，凡超過標準高度的地方及時鏟平，凡低于標準高度的地方，應填補夯實； 回填土完成后方可撤去預熱設備。

5 材料與設備

（1）無補償電預熱管道采用預制直埋保溫管，保溫層為聚氨酯發泡材料，保護層為聚乙烯外護管，由廠家提供成品預制保溫管道和保溫補口施工。預制直埋保溫管保溫效果好、現場施工便捷、耐久性好、生命周期長。

（2）電預熱設備采用集成設備，只需現場調試、接線即可完成管道的預熱工作，預熱均勻、效率高、控制性好、造價低、施工簡便。

（3）保溫補口材料使用電加熱聚乙烯板材和熱收縮帶，電加熱聚乙烯板采用電加熱，通電時間達到預定時間后即符合要求，受環境影響小。熱收縮帶采用火補形式，使用噴槍火烤，施工簡便，密封效果好。

無補償電預熱管道施工主要設備如表3 所示。

表3 無補償電預熱管道施工主要設備一覽表

6 質量控制

(1) 保溫管道的鋼管、保溫層、外保護層應緊密地黏結在一起，形成三位一體的結構。

(2) 每個預熱段之間在預熱前應斷開，不與相鄰的預熱段相連。

(3) 整個管路中如果存在三通分支或其他類似三通的分支，分支管路四周應該挖空，保證管路預熱過程中自由伸縮，凈空尺寸大于1～2 倍的伸長量。

(4) 對于某一確定的預熱段，用砂子回填地溝，高度要達到直管外徑的3/ 4 高處，而且夯實。

(5) 每個預熱段兩端的工作管上焊接連接螺栓，鋼管的自由端長度要求為180～220mm，螺栓距離管端最少30mm，熱段焊接連接螺栓圖如圖5 所示。

圖5 預熱段焊接連接螺栓圖

(6) 用電纜連接鋼管管端和設備。

(7) 安裝溫度傳感器，傳感器位置距離管端12m 以上。

(8) 供水管和回水管之間除了預熱段首尾由電纜連接形成的回路以外，不得在其他位置有任何跨接和連接。

(9) 在預熱段兩端管端，設定伸長量標尺和標線。

(10) 開機前準備好文件夾和記錄表格，對預熱過程中的有關參數按照表格中設定的項目進行記錄。記錄的常規參數包括溫度、電流、電壓、伸長量。

(11) 正式開機前通知業主、監理共同對管道進行檢查和確認：確認管溝和鋼管里是否有水；確認是否有穿越管線；確認管道中沒有其他回路連接；確認管段和分支處的密封；確認電纜聯接的牢固性；確認標尺設定完好。一切準確無誤再按預定時間進行開機。

(12) 在打開機器面板上的開關按鈕后，溫度傳感器的顯示的溫度為加熱初始溫度。由于保溫的原因，該溫度可能同環境溫度有區別，隨著電流的增長，溫度會逐漸升高。

(13) 整個預熱過程中記錄頻次如下：從開機到回填結束后，白天每小時記錄一次，夜間12：00 至早晨6：00，2h 記錄一次。

(14) 如果溫度達到而伸長量未達到，以5℃為階梯升高溫度，最高不能超過80℃。

(15) 達到伸長長度后，按常規進行回填和壓實。

(16) 回填結束后，經業主、監理確認后方可關掉機器、拆除附件。

7 結語

目前電預熱技術應用于國內多個集中供熱管網工程中，取得了很好的預熱效果，同時積累了豐富的施工經驗。近十年，我國的集中供熱視野隨著國家城鎮化的推進得到了迅速的發展，產品的生產和加工工藝已基本成熟，直埋預制保溫管道產品的技術水平得到大幅度的提高。同時，隨著國家環保節能政策進一步推廣，使得集中供暖市場需求愈來愈大，而預制直埋保溫管道的預熱安裝技術應用也將更加廣泛。