预制直埋保温管道无补偿电预热安装

摘 要

摘要：介绍了预制直埋保温管道无补偿电预热安装的应用领域、安装原理以及对保温管道的要求。对安装工艺及施工方案进行了探讨，列举了施工中的注意事项。比较了无补偿电预热与热
摘要：介绍了预制直埋保温管道无补偿电预热安装的应用领域、安装原理以及对保温管道的要求。对安装工艺及施工方案进行了探讨，列举了施工中的注意事项。比较了无补偿电预热与热风预热、热水预热工艺，电预热具有一定优势。
关键词：预制直埋保温管；无补偿预热安装；电预热；热风预热；热水预热
Electric Preheating Installation without Compensation for Prefabricated Directly Buried Insulating Pipe
ZHANG Jingna，LI Zhi，JI Hongli，LIU Xin
Abstract：The application field of electric preheating installation without compensation for prefabricated directly buried insulating pipe，the installation principle and the requirement for insulating pipe are introduced.The installation process and construction scheme are discussed，and the matters needing attention in the construction are listed.The electric preheating without compensation is compared with hot wind preheating and hot water preheating，and the electric preheating has an advantage.
Key words：prefahricated directly buried insulating pipe；preheating installation without coinpensation；electric preheating；hot wind preheating；hot water preheating
1 无补偿电预热安装的应用领域及原理
   ① 应用领域
   无补偿预热安装主要应用于城市热网中最高运行温度不超过140℃的热水直埋保温管道。由于无补偿预热安装采用了提前释放应力的技术，从而在很大程度上减少了固定支座与补偿器的数量。这一方面降低了工程造价；另一方面由于补偿器使用数量的减少，提高了热网运行的可靠性，降低了热网的运行维护费用。与传统的无补偿预热安装方式相比，电预热安装环保节能，施工便捷，工期短，进一步降低了工程造价，是目前国际上广泛应用的先进的热水直埋保温管道安装方式。
   ② 安装原理
   当预制直埋保温管道安装一定长度时(一般情况下不大于1000m)，将管道加热到一定温度，当管道恢复到安装温度时，管道预先承受了一定的拉应力。当管道投入工作时，随着温度的升高，管道拉应力逐渐减小，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，产生压应力，并随着温度的升高而逐渐增大，当温度升至工作温度时，管道的热应力(压应力)仍小于许用应力。这样，管道便可以在不采用波纹管补偿器的情况下正常工作[1～3]。
2 无补偿电预热对保温管道的要求
    无补偿电预热安装技术对保温管及其接头连接方式有着严格的要求：硬质聚氨酯泡沫与钢管和高密度聚乙烯外套管之间应粘接牢固，保证三位一体，尤其是在运行过程中必须保持完整。因此在预制直埋保温管道的制造过程中，对钢管的外表面进行抛丸处理，对高密度聚乙烯外套管内壁进行高压电晕处理，以保证三者之间有足够的粘结性能。对接头的连接方式，要求采用电热熔套连接，同样是为了保证管道的整体性。
3 相关参数的计算[4]
    ① 理论预热温度
理论预热温度的计算式为：
 
式中tm——理论预热温度，℃，即电预热设备设置的加热温度
    t1——管道工作循环最高温度，℃，通常指管道最高设计温度
    t2——管道工作循环最低温度，℃，对于供暖期运行的管道通常取10℃
   ② 预热段热伸长量
   预热段热伸长量的计算式为：
    △L=αlL(tm-ti)
式中△L——预热段热伸长量，m
    αl——钢材的平均线膨胀系数，K-1，参照GB 50316—2000《工业金属管道设计规范》取值
    L——预热段长度(管沟长度)，m
    ti——预热段初始应力为零时的管道温度，℃，即电预热设备开机时钢管的温度
4 无补偿电预热安装工艺
    每个预热段应是独立的，且保证工作钢管内无积水。若预热段中存在分支，分支管道四周应该挖空，保证预热段在预热过程中能自由伸缩，挖空尺寸应大于1～2倍的热伸长量。对于某一确定的预热段，用砂子回填管沟，高度要达到直管外径的75%，而且夯实。在每个预热段两端的钢管上焊接连接螺栓，用于连接电缆。把钢管直接作为负载电阻进行加热，供水管与回水管之间除了预热段首尾由电缆连接形成回路以外，不得在其他位置有任何跨接和连接。在预热段两端，设定热伸长量标线，若达到理论预热温度而热伸长量未达到，以5℃为步长升高预热温度，最高不能超过80℃。达到热伸长量后，进行回填、夯实。
    根据管道规格及施工时的环境温度，选用不同容量的电加热设备，钢管上施加的电压为无峰值直流安全电压，可选择恒流或恒压控制。对于长度为1000m的管沟，预热时间可控制在20h以内，环境温度越高，预热时间越短。进入保温阶段，电加热设备的输出电流根据设定温度和实际反馈温度自动调节。保温时间依据现场施工组织情况而定，一般前一预热段回填时，下一预热段就可开始预热了，两者可以同步进行。
5 施工方案
    应依据具体的地形和热网结构，制定出最经济有效的施工方案。一般长度为1000m的管沟为1个标段，根据不同的热网结构，选用不同容量的电预热设备。一次预热的管道长度可长可短，一般最长为1000m，最短长度依据管径的不同而定。
    对于热网中存在的变径、弯头、三通以及转角，在施工方案设计时，要结合电加热设备的功率，充分考虑其预热的经济性，制定出合理的预热施工方案。对于个别较短管道，也要通过工艺上的特殊处理，使其满足预热要求。
    为了充分利用夜间时间，采用倒排工期的方法计算预热开始时间，保证在预热开始后的次日7：00开始回填、夯实。
6 注意事项
    若采用水压试验，试验完毕后管道中的水必须排尽。预热前管沟中的水必须排尽。预热前除分段处，其他所有的保温管接头应处理完毕。预热前要拆除预热段所有其他短路连接。预热回填，必须分层夯实。先人工夯实，再采用机械夯实。每个预热段达到预热温度后，回填土自两端开始向中间回填，保证整个预热段回填土工作在16h内完成。
    预热后，管道已存在应力，以后不可将管道切断，所有阀门、三通等都应预先设计好，管道上也不可再开较大的孔。检查室在预热后再砌筑，便于管道伸长。若此后要在管道上另加分支，需根据热网结构，重新设计预热方案再次预热相关管段或在新增三通处进行补强处理。整个预热段的敷设坡度不能超过1.5°。当遇到过路情况时，加套筒使管道自由穿过，保证在预热过程中一个预热段障碍不超过1处。
7 与热风、热水预热的比较
7.1 安装效率
    热风预热设备对施工现场有一定的要求，设备庞大，安装环节多。热风预热设备的拆卸、搬运和稳放安装时间很难保证。在一切都非常顺利的情况下，热风预热设备从一个预热段移到另一个预热段，至少需要24h，而电预热设备最多只需要3h。
7.2 预热效果
    电预热利用电能对钢管进行加热，钢管中无需任何加热介质，因此管道预热均匀，而且预热时间短。电预热设备的输出电压、电流可调，可更方便地满足预热工艺的要求，以获得理想的预热效果。电预热设备的温控系统有抗干扰功能，在实时显示温度的同时，还有纸记录仪可打印数据。
    热风预热的升温速度很慢，大约是电预热的20%。由于热风在管道回路中流动时的热损失非常大，因此管道的温度不均匀。通常情况下，管道起始端和末端的温差在20℃左右，影响管道热伸长的均匀性。
    由于热水预热必须在管道中注满热水，因此预热温度比较均匀，但由于水的重量导致管道与土壤之间的摩擦力增大。因此，管道的热伸长量很难达到设计要求，尤其是对大管径管道预热时，管道中容易出现锚固段，预热效果不理想。
7.3 工艺效果
    ① 热风预热管段温度不均匀，热风进口处温度高，出口处温度低，为保证热伸长量，往往要求进口处温度要高于预热温度。采用电预热时，整个预热段的受热比较均匀。
    ② 热风预热设备占用空间大，因此每个预热段之间预留的空间大，这样在预热后，往往导致管端剩余空间仍大于一个补偿器的长度，需要再填入一短节保温管，而这段管道是未经过预热的。而采用电预热时，管端剩余空间小，在预热结束后，剩余空间小于一个补偿器的长度，这时需要将管道切去一部分以便安装补偿器，这样就保证了所有的管道都是经过热伸长的。
8 结论
    热水直埋保温管道的无补偿预热安装是一种安全可靠的安装方式，而电预热是预热方式的创新，大功率的电预热设备让我们可以根据客户需求，结合实际热网结构，进行最优化的预热段划分，从而最大限度地减少补偿器的数量，缩短工期，降低工程造价。电预热还具有预热时间短、预热均匀、操作简单、容易实现等优点，提高了热网运行的稳定性以及使用寿命，推动了热水直埋保温管道安装技术的发展。
参考文献：
[1] 李静，戴东辉，李晓恭.热水供热管道预热无补偿直埋敷设的设计[J].煤气与热力，2006，26(12)：44-46.
[2] 何聪，赵玉军，李祥瑞.无补偿预热直埋敷设方式的探讨[J].煤气与热力，2002，22(5)：452-454.
[3] 王淮，吕国良，戴东辉.供热管道无补偿直埋敷设预热方法的探讨[J].煤气与热力，2002，22(3)：232-234.
[4] 王飞，张建伟.直埋供热管道工程设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2007：105-106.
 
(本文作者：张景娜1 李志1 纪红利2 刘鑫3 1.天津市管道工程集团有限公司保温管厂 天津 300400；2.天津第二市政公路工程有限公司 天津 300113；3.天津市兴业工程造价咨询有限责任公司 天津 300042)