DN1200大管徑直埋無補償冷安裝施工技術在工程中的應用

摘 要：城市供熱管線采用直埋式無補償水冷安裝，該施工技術具有節約能源、減少建設費用、節約土地、縮短工期、提高管道安全可靠性、減少環境污染，降低運行與維護成本等優點。本研究介紹了直埋無補償管網常見安裝方式，并結合甘肅省嘉峪關市酒鋼電廠2×350 MW熱電聯產乏汽余熱回收項目DN1200供熱管道分項工程，分析了DN1200大管徑高溫熱水供熱系統直埋無補償冷安裝施工技術的要點和工程實際中的應用，針對大管徑直埋無補償冷安裝技術在施工中存在的管線折角應力與三通設計問題，提出相應的解決辦法，研究結果可為大口徑無補償冷安裝條件下的直埋供熱管道安裝施工提供參考，并在工程實踐中得到推廣應用。

關鍵詞：高溫水；大管徑；直埋；無補償冷安裝；推廣應用

中圖分類號：TU995.3

1 引言

近些年，國內外大口徑熱力管線的直埋鋪設技術研究已獲得了重要成果，目前已大規模應用。隨著直埋敷設無補償冷安裝技術的不斷完善，這項技術也開始得以普及與使用，相比于傳統預熱應力安裝，直埋敷設無補償冷安裝技術的投入較少，且無預熱或額外補償安裝所需的費用，大大節約了建設資金；施工周期較短，管線壽命長，維護費用較少以及熱損小，既降低了系統中危險點的數量，也增加了安全性，從而提高了施工的安全可靠性。

2 直埋管道無補償安裝方式

目前，在國內外較為普遍的直埋管道安裝方法包括預應力安裝和無補償冷安裝兩類。

2.1 預熱應力安裝

預熱后安裝直埋是一項安全性較高、費用少的鋪設方法，當管線溫度升至預熱環境溫度時回填或連接，在管線溫度回升至環境溫度時，管線將達到最大拉應力狀態，從而形成預應力效果。管子所受到的材料應力減少，并且在正常工作時形成了拉應力，而停車時也會形成壓應力。并且因為一定量的材料熱脹變化而提早放出，因此管子在工作中壓應力和拉應力都不大于鋼鐵的許用應力。

加熱裝置按照預熱施工的流程，分為有敞開式預熱時間內安裝和設置在一次性補償器浮土后加熱兩類。

2.1.1 敞開式預熱安裝

在覆土前，管線內能夠實行開啟式加熱。因為沒有了土地摩擦力，管線的熱脹變化能夠及時產生，加熱時間溫度為管線內平均殘余應力為零的環境溫度。當管子被升溫至預熱室溫時覆土后再冷卻，使管子獲得了相應的平均位置水平。在第一次通過加熱移動后，其管子端的移動和冷安裝時的位置基本相同，但減少了冷安裝在第一次移動時的較大移動。

2.1.2 一次性補償預熱

這種方式是在管子的直段部分，按照計算的距離分段放置了一次補償器，并僅在周圍的壕溝處敞口，將其余壕溝回填。下一次的賠償量在預熱時間之前調至設定值，并在管子開始預熱使補償器的延伸量調節完畢后與下一次補償器連接為整體，對管子的熱脹變形量進行了提前釋放。補貼器被焊死之后缺少補償功能而僅被當做管道用。由于土壤摩擦力的影響，隨著系統環境溫度的改變，整體位置也將均勻而一致。

2.2 無補償冷安裝

無補償冷安裝管線的組對焊和壕溝回填等均要在正常溫度下完成。管線應力驗算應用分類法與安定性分析原理，根據上述方法建設的直埋式熱工水力管道，直管段內一般可以不設補償裝置且無須加熱，在施工技術的冷態條件下進行管線能夠達到零應力狀態。工程設計中充分考慮了不同負荷條件下可能的組合情況，選擇了不同的強度驗算條件，以提高管線的安全可靠性。施工時，在保證安全保護措施的條件下才能保證工程的質量可靠性。

3 無補償冷安裝直埋供熱管道安裝規范規定

3.1 工程概況

甘肅省嘉峪關市酒鋼電廠2×350 MW熱電聯產機組乏汽余熱回收供熱改造工程（廠外）DN1200供熱管道分項工程，敷設起點為酒鋼電廠圍墻至明珠路，管線長度3.3 km，本工程為整體項目的廠外部分，起點為電廠圍墻處DN1200架空管線288 m，入地之后沿機場路至明珠東路交叉口，主管徑DN1200及DN900，全長3.3 km。本工程熱媒設計參數：105 ℃/50 ℃，設計壓力：1.5 MPa。閥門附屬設施按照2.5 MPa選型，全線有5個閥門支井，原來DN800的供熱管線并為回水管線，接點時注意酒鋼電廠一次網供水管線水流方向，坐標點與標高復核，沿供水方向，左供右回。工程遵循《城鎮供熱直埋熱水管道技術規程》（CJJ/T 81—2013）、《硬質聚氨酯噴涂聚乙烯纏繞預制直埋保溫管》（GB/T 34611—2017）要求，計算條件：供水溫度105 ℃；工作壓力1.6 MPa；鋼管材質Q235B；最不利條件鋼管壁厚12 mm；管外徑Φ1 220。

按公式（0.7σt+αEΔt≤3[σ]t）計算，最不利條件計算結果為極限溫差128 ℃，可以滿足正常施工條件要求，本項目直埋管道采用無補償冷安裝設計是安全的。因此本工程按照技術可行性選擇了直埋無補償冷安裝施工技術，保證工期的順利進行和實際的工程效果。

3.2 規范規定

在改造工程中使用無補償冷安裝技術時，在大折角處附近采用U形彎加強強度設計，按照設計變更施工后，避免了實際投產運行中大折角處應力破壞帶來的風險，直埋供熱管道安裝規范規定具體如下：

（1）工程施工技術規范依據《城鎮供熱直埋熱水管道技術規程》（CJJ/T81—2013）實施，規程中規定了設計工作溫度不足或超過150 ℃、設計水壓≤2.5 MPa以及管材公稱直徑≤1 200 mm。

（2）一次應力強度計算的特性是變化的而非自限性的，因此對應力強度測量宜用彈性應力分析方法或極限分析方法。

（3）二次應力為解決建筑構件中各組成部分之間的因變化配合所形成的應力問題，具備變化自限的特性，對二次應力采用安定性分析。

4 無補償冷安裝直埋供熱管網安裝技術的發展原理

有補償直埋管道受熱變形使管子截面形成軸向應力，所以在A處補償器要求熱力工程管路不會直接產生塑性變形，軸向應力與拉伸應力的分布如圖1所示，A處為自然延伸狀態，受熱使管子截面形成軸向應力，所以會有安裝距離計算量。確定直埋供熱管道是處于錨固段還是過渡段，對管道應力分析顯得尤為重要，直管段最大過渡段長度是確定直埋管道錨固點位置、計算管道熱伸長量的重要依據，不論管子是受熱或者制冷如低于自然屈服極限，則不會引起損壞[1]。當熱力管線溫度下降至常溫時，拉應力為σ0，但隨著熱管線溫度上升至正常工作溫度，熱管線的壓應力值仍低于允許拉伸應力限值，B點摩擦阻力和高溫上升形成的熱脹應力相等，在屈服階段中會發生拉伸應力改變不大但拉伸應力變化明顯的現象。無補償冷安裝是無補償器，無固定墩，常溫下直埋安裝，這就是無補償供熱管直埋敷管技術的基本原理。

圖1中，AB段表示過渡段，BC表示錨固段；L表示管道長度（m）；Lf表示管道軸向拉應力（MPa）；σax表示管道斷面軸線應力；σ表示管道軸向應力（MPa）；σs表示管道斷面屈應力（MPa）；Lmax表示管道最大距離。

5 直埋無補償冷安裝供熱管線架設技術的要點分析

直埋無補償冷安裝供熱管線施工安全可靠并避免損壞、變形的情況，一般要求坡度為≥2‰，鋼管要坡面干管。在高處應設有放氣閥門，底部設有放水閥門，并且有相對位移處，如地埋管線的彎頭處拐彎部要采取軟防護等措施。

5.1 管道溝槽

基坑壕溝底的土壤，若為濕陷性土則需采用換土法進行處理，土壤的品質將直接關系到技術應用的有效性，若出現問題則可會產生不平衡沉降，由于上述工程在建造之前已經研究了大量的地下施工與建設環境資源，并作出了詳盡的規劃設計，所以實際施工中從未發生過該問題。溝槽在施工過程中若發生了高度誤差，將會造成管道施工的質量問題，以及管線投產后的安全問題，因此上述施工在土方開挖之前，必須嚴格測定施工放線、進行實測高度，對管頂以上的200～300 mm以上間距，和對管腔外側周圍的中砂回填區采取人工分層方式進行夯實，大大提高了工程的安全性。

5.2 管材要求

5.2.1 外殼保溫層要求

外殼保溫層所要求材質的性能必須符合實際需要，外保護層為高密度聚乙烯外護管。其優點是保溫管道在工廠內利用機械完成聚氨酯發泡、高密度聚乙烯外護管一次成型。高密度聚乙烯外護管的壁厚達到10 mm以上，采用保溫后的鋼管抗壓強度較高且防腐效果也較好，并與鋼管有很強的結合力，以防止預制保溫管道失去其固有的特性。

5.2.2 折角與三通設計要求

在實際過程中由于管道折角的水平應力一般遠大于管道彎頭。因此，管道折角很容易在循環荷載的作用下發生疲勞破壞，甚至局部穩破壞，建議在熱力管網設計中，應盡可能地少用管線折角，可采用管線彎頭替代[2]。實際在此次工程設計中6°、9°、22°、90°的管線折角，采用新型雙層折角彎頭。計算結果表明，新型雙層折角能有效降低折角的應力最大值，且折角度越大，應力值降低效果越好[3]。管道三通采用加強三通，三通壁厚比直管段壁厚1～2mm。根據本項目熱源實際情況，一級網管道管件公稱壓力1.6 MPa。

5.3 閥門選擇

閥門選用高品質閥門：公稱直徑大于或等于300 mm的切斷閥選用高品質的焊接球閥，要求雙向零泄漏，連接形式為焊接；公稱直徑小于300 mm的切斷閥選用焊接球閥；其余放水及放氣管道采用截止閥或球閥。

5.4 焊接檢測

管子接口檢查在無補償直埋管線工程中非常關鍵，由于管子在實際工作中的負荷逐漸增大，因此對上述工程中DN800以下的管子均采取60°V型切縫，用雙面氬弧焊打底二層電焊蓋面，鋼管和管件均采取雙側焊接，對抽查過的焊縫，抽查總量不應低于焊接總量的25%，且每個焊接件數量不應小于一個焊縫。抽查時，對穿越主干道道路兩側5 m范圍內的焊縫進行了100%射線探傷檢查，把各種不合格的焊縫一一查出并進行了焊接，并側重進行固定焊接口，因此提高了整體施工品質，并防止了后期發生應用風險等問題。

6 無補償水冷系統安裝直埋供熱水管道施工技術的應用策略

嘉峪關市酒鋼電廠2×350 MW熱電聯產機組乏汽余熱回收供熱改造工程（廠外）DN1200供熱管道分項工程，嚴格遵循《城鎮供熱直埋熱水管道技術規程》（CJJ/T 81—2013）執行，保證工程符合預期的標準。

6.1 開展地質勘察

上述施工均按砂礫質堅土場地考慮，揭露區域地下初見水位190～210 m，靜止水位高度為1 420～1 430 m，根據地質勘查結果和區域地貌資料，管道區域內亦不存有危害工程的古墓、防空穴、孤巖等結構不良掩埋物。

6.2 管道安裝施工

管道彎頭采用預制彎頭，一般彎頭的彎曲半徑按3倍DN，個別位置緊張的彎頭根據實際情況其彎曲半徑按1.5倍DN。彎頭壁厚一般比直管段壁厚1～2 mm。管線的焊縫質量必須嚴格執行國家有關的現行標準，而對于在管段結合處等沒有通過射線檢測的焊口也要通過超聲波檢測，以防止施工時發生產品質量問題。

6.3 管道保溫處理

管道保溫采用共廠預制保溫管不僅提高了管道施工的整體質量，還可以避免由于人工保溫技術水平差所帶來的施工風險問題。而管件的連接保溫工作則在管件裝配完成和強度測試合格后完成，管道吊裝按照《05R410熱力管道直埋敷設圖集》規定，管道接頭保溫質量符合《城鎮供熱直埋管道接頭保溫技術條件》（GB/個 38585—2020）和《保溫管道用電熱熔套（帶）》（GB/個 40068—2021）規定要求，具體施工方法如下：

（1）按圖紙規定施工溝槽開挖時，開挖深度要達到設計溝底深度。管道吊裝和進溝作業時要使用專門的柔性寬吊帶，不能用帶吊鉤的鋼絲繩直接掛在保溫管道兩端進行起吊作業。

（2）施工進行到管道接頭保溫時，在管道外保護層兩側采用一體式電熱熔套搭接，其搭接長度不應小于100 mm，施工人員同時收緊捆扎在電熱熔套兩側的拉緊器，使電熱熔套兩側與管道外保護層之間受力緊貼防止灌注發泡劑時移動錯位。

（3）灌注發泡劑前，現場施工人員必須對電熱熔套進行熔焊，首先把電熱熔焊機一側電源輸入端導線與電源相連，另一側輸出端正負極導線與電熱熔套兩側所自帶的電容絲網連接導線相連，然后在電熱熔焊機上設置好相匹配的參數啟動加熱程序按鍵，通電后電熱熔套與管道外保護層兩側被熔焊在一起；由于電熱熔套與管道外保護層兩側搭接會形成環形臺階接口，為防止電熱熔套熔焊部位水滲入，可以采用天然氣噴槍一邊加熱熱縮帶，一邊用熱縮帶纏繞在環形臺階接口處使其充分熔接封閉接口；為了保證管道接頭處嚴密性，在搭接的電熱熔套用上方用電鉆打孔，在開孔部位用試驗壓力為 0.02 MPa壓縮空氣對管道接頭部位的電熱熔套管內部進行吹氣試壓檢漏，防止水滲透，使接頭處電熱熔套管與管道同壽命。

（4）施工人員進行吹氣試壓檢漏合格后，把聚氨酯發泡劑的兩種黑白稀料按比例充分混合后，使用高壓大排量泵車將聚氨酯發泡劑澆筑于接頭電熱熔套與管道形成的環狀空間中，澆筑時注射壓力要大于10 MPa，聚氨酯發泡劑發泡完成后，用防水堵塞密封。

6.4 回填及試壓

現場經地勘資料核實后方可使用原土回填，強度測試氣壓為1.5倍的設計氣壓，但壓降不能小于0.6 MPa，管底鋪設過篩細土，其他部分填沙或過篩細土，填筑物的料粒徑宜≦2 mm，基本施工密實度宜符合設計規定。

7 結束語

直埋預制保溫管無補償氣冷安裝方法已獲得了國內供暖業界的普遍推廣和肯定，但當前實踐運用中還是存在著一定的問題，必須對該項技術加以深入研究，認真對待每一細節，以促進中國供暖產業的可持續發展。

參考文獻：

[1]" 王興華，成紅娟. 直埋供熱管道直管段最大過渡段長度的影響因素[J]. 甘肅科技，2020，36（7）：94-95+75.

[2]" 錢亨，雷勇剛，王飛，等. 直埋供熱管道雙層折角的應力分析[J]. 中國科技論文，2020，15（8）：885-890.

[3]" 李志凱. 淺析無補償冷安裝條件下的直埋供熱管道施工技術[J]. 安裝，2020（10）：60-62.