直埋预制保温管无补偿安装技术
董 松 裴玉婵 孙 炜
中国化学工程第六建设有限公司 湖北襄阳 441100
20 世纪80 年代初，为降低大口径管道的运行风险及减少管网中补偿器等施工薄弱环节，欧洲产品厂家及设计单位总结出无补偿电预热敷设方式，此方式成为解决上述问题的最有效途径。经过多年实际工程应用和验证，无补偿电预热敷设方式以其节约能源、施工周期短、投资小、寿命长、安全可靠等一系列优点在城市供热工程中被广泛应用，逐步取代有补偿敷设方式。
1.1 供热管网施工技术分类
城镇供热管网直埋预制保温管设计和施工中，分为有补偿直埋敷设、无补偿直埋敷设两种方式。
（1）热力管道有补偿直埋敷设方式是通过管线自然补偿或增加补偿器吸收管道运行中产生的膨胀变形，从而使管道的轴向应力最小，来解决管道热伸长量的问题，达到解决管道热应力最小的目的。由于在管网中大量应用补偿器和固定支架，增加检查井、阀门井，不仅降低了管网的安全性，而且大大增加了管网的建设投资。
（2）热力管道无补偿安装主要是在管道施工的同时就回填，在管网中设置少量的补偿器和固定支架，管道安装介于有补偿安装与无补偿安装之间。通过管道预热，将一半膨胀变形和管道轴向应力提前释放，从而有效解决热力管道中对管道运营安全以及施工要求较高的难题。
1.2 供热管网无补偿预热方式和施工条件
热力管道的无补偿预热施工目前有3 种方式：热水预热、风预热和电预热。热力管道的预热施工条件主要有以下要求：
（1）热水预热要求要有加热锅炉，其管道要焊接完形成连续的回路，同时还要准备一次性补偿器和阀门等，对现场的施工要求比较高，施工成本也较高。
（2）风预热与热水预热一样，对施工的设备要求较高，管道也必须焊接完形成回路，预热的时间长，效果较差。
（3）电预热是最近几年从国外引进的新的预热技术，其预热的专用设备比较小，对预热管道的要求较低，移动方便，而且管道无须形成回路，对预热段的划分非常有利；
同时也不需要在管道上设置一次性补偿器和阀门，预热效果较好，预热成本也较低。
1.3 无补偿电预热技术优势与特点
1.3.1 施工条件对比
（1）当没有便利条件时，则需要大量的循环热水和与之配套的锅炉、水泵等设备对预热管道提供热水热源，管道中必须为预热工作准备阀门和一次性补偿器，而且在管道预热之前，预热管道必须焊接完毕形成连续的回路。
（2）风预热需要具备大功率风机对管道提供持续风源，预热管段必须焊接完毕，形成完整回路，以便气流顺利通过。风预热设备拆装比较困难。
（3）电预热除专用的预热设备以外，对预热管道其他要求相对较低。由于管道中不用流通水或者风等介质，因此，不需要管道形成封闭的回路，也不需要在管道中设置一次性补偿器和阀门。电预热是一种不造成环境污染的新型管网安装方式。
1.3.2 预热效果对比
（1）水预热温度比较均匀，但由于管道在预热过程中必须注满热水，所以管道重量很大，管道与土壤之间的摩擦力较大，因此，设计伸长量不容易达到。大管径管道水预热时，管道中容易出现锚固段，影响预热的效果。
（2）由于热风在管道回路中流动时热损失非常大，因此，管道的预热温度不均匀。通常情况下，管道起始端和末端的预热温差在20℃左右，影响管道热伸长的均匀性。
（3）电预热管道是将钢管作为电阻，利用电能对钢管进行加热。由于钢管中没有介质，因此，管道沿长度方向预热均匀，预热时间短，而且管道中不存在锚固段，能够达到理想的管道预热效果。
3 种不同预热方式的简单比较如表1 所示。
表1 3 种不同预热方式的简单比较
由以上分析可以得出，无补偿电预热安装技术由于其具备较多的优势，将会越来越多地用于城镇供热管网的施工当中。
（1）无补偿电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架与补偿器的数量，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，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）无补偿电预热安装方式以其构造简单、占地少、施工周期短、维修量小、运行耗电量少、寿命长等优势，已成为城镇热网的主要安装方式。
无补偿电预热技术原理为通过电缆将电预热设备与工作钢管连接并构成闭合回路，把低电压、高电流的电能作用于预热管段；
利用电阻发热的原理，将工作钢管的温度加热到设计预热温度。通过导体的电流强度越大，时间越长，发热量就越多。根据热胀冷缩的原理，保温管在升温的过程中，热量增多，长度也不断伸长，当保温管的伸长量达到设计预热伸长量时即可进行回填。为了使回填过程中钢管的伸长量不回缩，需继续预热保持恒温，直到焊接完成、回填结束方可停止预热。电预热原理如图1 所示。
图1 电预热原理图
测量放线→沟槽开挖→管底填砂→管道及阀门、管件安装→焊口探伤→接头保温→感温光纤绑扎→电预热回填→试运行调试→竣工验收。
4.1 测量放线
（1）根据建设单位提供的桩点进行管线测量放线，桩点每隔100m 一处。
（2）管线定位放线后进行水准测量，根据建设单位提供的高程基准点进行水准测量，将管线每50m 引测一个高程基准点。另外将沿线施工范围内的地形、地上地下障碍物进行核查，并做好详细记录，确定好障碍物位置并在施工图上标示清楚。
4.2 沟槽开挖
（1）根据施工现场条件、设计开挖深度、土质、有无地下水等因素选用不同的开槽段面，确定各施工段的槽底宽、边坡、留台位置、上口宽、堆土及外运工程等施工措施。
（2）当施工现场条件不能满足开槽上口宽度时，应采用相应的边坡支护措施，在地下水位高于槽底的地段应采取排水、降水措施。
（3）机械开挖预留200mm 预留量，人工配合机械挖掘，人工挖至槽底标高。
4.3 中粗砂回填
槽底填砂适用粒径小于7mm 砂，填砂密实度达到90%，槽底填砂厚度为20cm。
4.4 管道铺设
（1）无补偿直埋供热管道采用外保护套管为聚乙烯的预制直埋保温管。
（2）保温管材及管件进场后应进行表面检查。
（3）管道运输采用起重机配合运输车辆运输至施工现场，并沿沟排开。运输及布管时应注意装卸车时采用平衡吊带法，避免吊装时磕碰保温层应采用帆布吊带，吊带选用按管材重量考虑。
4.5 管道组对
（1）管道组对前，对管道中心线及标高进行复测，复测结果需符合设计规定。检查坡口质量，坡口表面应整齐、光洁，无裂纹、锈皮、熔渣等其他影响焊接质量的杂质，如有不合格的坡口需进行修整。
（2）管道组对用汽车吊对口，用千斤顶进行微量调整，吊装管道采用吊带，管口组对时应做到外壁平齐、对口错边量符合焊接工艺要求。
（3）螺旋焊管对接时，管道螺旋焊缝应错开，距离不应小于300mm，管道任何位置不得有十字焊缝。
4.6 管道焊接
（1）焊接工艺采用氩弧焊打底，手工电弧焊填充及盖面。
（2）编制焊接工艺评定报告及焊接工艺指导书。
（3）选用持证焊工施焊，每个焊工施焊前进行现场考试测验，合格的人员才可施焊。
（4）第一层氩弧打底，焊缝根部应均匀焊透，不得烧穿。每层焊完之后应认真清渣，除去表面气孔、夹渣等缺陷，焊缝焊完后应将其表面焊渣和飞溅物清理干净。
（5）氩弧焊底层焊完后，需检查其根部是否有缺陷，如有未焊透、弧坑、内凹等缺陷，立即采取措施进行返修。在第二层焊完后需进入管道内进行检查，查看是否有击穿现象。
（6）焊接时，对于焊接环境需进行记录，对焊接过程进行全天监控，对于不能保证焊接质量的天气，采取防护措施或不得焊接，否则会影响焊接质量。
4.7 焊口外观检查
（1）焊口焊完后，应立即清除渣皮、飞溅物，清理干净焊口表面，然后进行外观检查。
（2）焊缝尺寸应符合要求、焊缝表面应完整，高度不应低于母材表面，并与母材圆滑过渡。
（3）不得有表面裂纹、气孔、夹渣及融合性飞溅物等缺陷。
4.8 无损探伤检查
（1）焊缝表面检查合格后，进行X 射线探伤，管道的每道焊缝进行100%探伤，Ⅱ级为合格。
（2）焊缝无损探伤合格后方可进行接头保温。
4.9 管道接头保温施工
4.9.1 保温补口工艺准备
正式补口前，应通过工艺试验确定补口工艺参数和工艺规程，以保证补口的质量。钢管补口作业宜在15℃以上、空气相对湿度85%以下施工。如不能达到上述要求，应采取相应措施施工。
4.9.2 热缩带安装
清除热缩套和外套管粘接部位的泥土及污物，清除宽度大于热缩带的宽度，有油污的地方用酒精清洗干净，并将粘接部位打毛，打毛宽度大于热缩宽度。将热缩带胶层向内包覆在接口处，并保证热缩带在搭接处居中位置。
先用小火依次将搭接的两层热缩带烘烤至胶层微化并搭接固定住，再将胶层已烘烤过的压盖居中扣在搭接缝上，然后用中火来回均匀烘烤压盖直至压盖与热缩带完全粘接无翘边和气泡，加热过程中可用手套或压滚抚平压盖使其与热缩带紧密粘接。
压盖压紧后，从热缩带的中部开始，首先烘烤与套管搭接的一边，烘烤时应从底部开始，并遵循由下向上、由里向外的烘烤规则，以避免气泡产生。
加热收缩时应仔细观察热缩带边沿是否有热熔胶溢出。待收缩完毕后，再次检查热缩带和压盖是否有翘边和气泡存在，若有应及时修补排除气泡保证热缩带和压盖平整。热缩带安装如图2 所示。
图2 热缩带安装图
4.9.3 气密试验
在外套管上一端先钻一个孔，将压力表安装在孔部，拧紧固定螺栓；
开启空气压缩机，压力升至0.02MPa 用肥皂水进行检验，不得漏气；
若聚乙烯热缩带部位漏气应进行修补，然后进行气密性试验，合格后方可进行聚氨酯发泡；
将外套管打压孔扩钻，作为聚氨酯发泡的排出和排气孔。
4.9.4 聚氨酯发泡
当气密性试验合格并满足相应规定后，可进行聚氨酯发泡。接头发泡质量验收标准如表2 所示。
表2 接头发泡质量验收标准
4.10 电预热施工
4.10.1 电预热施工的工艺原理
无补偿直埋供热管线焊接安装完毕后，应用电预热技术将预热管段伸长至此段管网运行后最大伸长量的一半，预热后马上回填夯实，利用钢管、保温层、外保护层及土壤各部分之间的摩擦力，使钢管冷却后不至于回缩。此时钢管一直处于拉伸状态，运行时管道的一半膨胀变形已经提前释放，管道轴向应力降低至有补偿安装的一半，在运行期间，供管线就不会出现拉伸屈服状态。
4.10.2 预热温度及伸长量的确定
（1）电预热设备设置预热目标温度计算：
式中：Tm——电预热设备设置温度，℃；
t1——供热管设计最高温度，℃；
t2——管道敷设后所处环境最低温度，℃。
（2）预热管道伸长量的计算：
式中：△L——预热管道伸长量，m；
X——钢材的平均线膨胀系数，取值0.0012；
Tm——电预热设备的设置温度，℃；
t3——电预热开始时钢管的温度，℃；
Lr——管与预热的管道长度，m。4.10.3 电预热施工的主要施工技术。
分段电预热一般宜以直管段1000m 为1 个预热段，管线中如有弯头等管件，适当缩短预热段，并且弯头处管沟两侧留出位置，弯头距管沟沟壁近时，需开挖两侧，留出足够的空间。
在被预热管道管口焊接M22×80 螺栓，用于连接预热机，始末两端每个管口焊接螺栓12 套，间距80mm，将预热管道与预热机用电缆连接。连接处接触紧密、结实，不得有虚接现象，螺栓焊接要满焊。
按照计算好的预热目标温度，设置预热设备，在被预热管线两端及弯头两侧设置标尺观测点，并派专人重点观察保护，防止在预热工程中损坏移动，另外在管线每100m 处设置标尺观测点，并派专人沿线观察保护。
电预热采用功率为1200kW 柴油发电机加热管道，加热至目标温度一般需要12～18h，加热后保温时间为12～24h。
电预热施工要配置专业人员4 人，分两组，每组2 人12h 值班，1 人操作看护电预热设备，1 人巡查管线。
管道预热需在焊接完毕、探伤检查合格并接头保温后进行。预热时需排干沟内积水、管口处无水渍方可进行，而且在预热过程中不得有水接触管道金属面否则不能进行预热。预热完成回填后，24h 内需测量管线回缩量。
4.11 电预热施工工艺
4.11.1 电预热前需完成的工作
管道焊接、保温补口、感温光纤绑扎、沟槽回填。
4.11.2 电预热前的准备工作
（1）为确保预热效果，需要将钢管内的积水排放干净，按照设计要求回填管沟，回填高度不得超过管道外径的3/ 4 处，预热前沟槽回填示意如图3 所示。
图3 预热前沟槽回填示意图
（2）在管端处焊接螺栓（M12 或M16，长度小于50mm），每个螺栓之间相距不小于100mm 以便于安装电缆，安装位置距管端不小于30mm，螺栓须满焊。
（3）安装温度传感器：在保温管上距离管端（放置预热设备端）向内12m 处的塑料外壳上开口，以安装传感器，必须将传感器探头紧密贴合并固定在钢管表面。
（4）预热管段两端分别安装一个长度检查装置，用来测量管道伸长量。
（5）在管道末端安装密封装置，将电缆连接钢管管端和设备，如图4 所示。
图4 电缆连接钢管与电预热设备示意图
4.11.3 电预热施工
（1）打开机器开关后，记录初始温度。本工程设计供/ 回水温度为130℃/ 60℃，设计预热温度为60℃。
（2）达到预热温度后，测量预热伸长量是否符合设计计算值，达到要求后24h 内对管道进行分层夯实回填，压实度符合设计要求，避免预热费用增加。
（3）回填完毕，管道冷却至环境温度后，测定最终伸长量，最终伸长应符合设计要求。
4.11.4 回填施工及技术要点
（1）回填砂施工及注意事项：在预热开始升温时，将砂回填至管中心位置，防止管道在升温后横向位移；
在预热温度达到目标温度时，观察管道伸长量达到计算值后开始进行回填；
回填砂每30cm 为一层，回填一层后，用平板振捣器进行夯实；
砂回填至管顶以上20cm 处，压实后进行回填土，砂回填每层要进行密实度测试，密实度大于95%为合格。
（2）回填土施工及注意事项：回填土分层铺摊，每层30cm 为一层，采用挖机或铲车往沟内铲土，人工铺摊，在管顶以上80cm 部分采用蛙式打夯机进行夯实，每层至少3 遍，打夯应一夯压半夯，行行相连，纵横交叉；
回填管顶80cm 以上时夯实采用压道机碾压配合蛙式打夯机进行，每层填土夯实后，应按规范规定进行土壤密实度检测，达到要求后进行上一层的回填，密实度大于95%为合格；
回填土料过干时应按规定洒水湿润后再夯实，防止造成夯不实，越夯打越松散现象；
回填土料过湿不能进行回填，防止造成越打越软，呈“橡皮泥”状态；
填土全部完成，应进行表面整平，凡超过标准高度的地方及时铲平，凡低于标准高度的地方，应填补夯实；
回填土完成后方可撤去预热设备。
（1）无补偿电预热管道采用预制直埋保温管，保温层为聚氨酯发泡材料，保护层为聚乙烯外护管，由厂家提供成品预制保温管道和保温补口施工。预制直埋保温管保温效果好、现场施工便捷、耐久性好、生命周期长。
（2）电预热设备采用集成设备，只需现场调试、接线即可完成管道的预热工作，预热均匀、效率高、控制性好、造价低、施工简便。
（3）保温补口材料使用电加热聚乙烯板材和热收缩带，电加热聚乙烯板采用电加热，通电时间达到预定时间后即符合要求，受环境影响小。热收缩带采用火补形式，使用喷枪火烤，施工简便，密封效果好。
无补偿电预热管道施工主要设备如表3 所示。
表3 无补偿电预热管道施工主要设备一览表
(1) 保温管道的钢管、保温层、外保护层应紧密地黏结在一起，形成三位一体的结构。
(2) 每个预热段之间在预热前应断开，不与相邻的预热段相连。
(3) 整个管路中如果存在三通分支或其他类似三通的分支，分支管路四周应该挖空，保证管路预热过程中自由伸缩，净空尺寸大于1～2 倍的伸长量。
(4) 对于某一确定的预热段，用砂子回填地沟，高度要达到直管外径的3/ 4 高处，而且夯实。
(5) 每个预热段两端的工作管上焊接连接螺栓，钢管的自由端长度要求为180～220mm，螺栓距离管端最少30mm，热段焊接连接螺栓图如图5 所示。
图5 预热段焊接连接螺栓图
(6) 用电缆连接钢管管端和设备。
(7) 安装温度传感器，传感器位置距离管端12m 以上。
(8) 供水管和回水管之间除了预热段首尾由电缆连接形成的回路以外，不得在其他位置有任何跨接和连接。
(9) 在预热段两端管端，设定伸长量标尺和标线。
(10) 开机前准备好文件夹和记录表格，对预热过程中的有关参数按照表格中设定的项目进行记录。记录的常规参数包括温度、电流、电压、伸长量。
(11) 正式开机前通知业主、监理共同对管道进行检查和确认：确认管沟和钢管里是否有水；
确认是否有穿越管线；
确认管道中没有其他回路连接；
确认管段和分支处的密封；
确认电缆联接的牢固性；
确认标尺设定完好。一切准确无误再按预定时间进行开机。
(12) 在打开机器面板上的开关按钮后，温度传感器的显示的温度为加热初始温度。由于保温的原因，该温度可能同环境温度有区别，随着电流的增长，温度会逐渐升高。
(13) 整个预热过程中记录频次如下：从开机到回填结束后，白天每小时记录一次，夜间12：00 至早晨6：00，2h 记录一次。
(14) 如果温度达到而伸长量未达到，以5℃为阶梯升高温度，最高不能超过80℃。
(15) 达到伸长长度后，按常规进行回填和压实。
(16) 回填结束后，经业主、监理确认后方可关掉机器、拆除附件。
目前电预热技术应用于国内多个集中供热管网工程中，取得了很好的预热效果，同时积累了丰富的施工经验。近十年，我国的集中供热视野随着国家城镇化的推进得到了迅速的发展，产品的生产和加工工艺已基本成熟，直埋预制保温管道产品的技术水平得到大幅度的提高。同时，随着国家环保节能政策进一步推广，使得集中供暖市场需求愈来愈大，而预制直埋保温管道的预热安装技术应用也将更加广泛。
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