DN1200大管徑直埋無(wú)補(bǔ)償冷安裝施工技術(shù)在工程中的應(yīng)用

摘 要：城市供熱管線采用直埋式無(wú)補(bǔ)償水冷安裝，該施工技術(shù)具有節(jié)約能源、減少建設(shè)費(fèi)用、節(jié)約土地、縮短工期、提高管道安全可靠性、減少環(huán)境污染，降低運(yùn)行與維護(hù)成本等優(yōu)點(diǎn)。本研究介紹了直埋無(wú)補(bǔ)償管網(wǎng)常見(jiàn)安裝方式，并結(jié)合甘肅省嘉峪關(guān)市酒鋼電廠2×350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)乏汽余熱回收項(xiàng)目DN1200供熱管道分項(xiàng)工程，分析了DN1200大管徑高溫?zé)崴嵯到y(tǒng)直埋無(wú)補(bǔ)償冷安裝施工技術(shù)的要點(diǎn)和工程實(shí)際中的應(yīng)用，針對(duì)大管徑直埋無(wú)補(bǔ)償冷安裝技術(shù)在施工中存在的管線折角應(yīng)力與三通設(shè)計(jì)問(wèn)題，提出相應(yīng)的解決辦法，研究結(jié)果可為大口徑無(wú)補(bǔ)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(shí)踐中得到推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高溫水；大管徑；直埋；無(wú)補(bǔ)償冷安裝；推廣應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TU995.3

1 引言

近些年，國(guó)內(nèi)外大口徑熱力管線的直埋鋪設(shè)技術(shù)研究已獲得了重要成果，目前已大規(guī)模應(yīng)用。隨著直埋敷設(shè)無(wú)補(bǔ)償冷安裝技術(shù)的不斷完善，這項(xiàng)技術(shù)也開(kāi)始得以普及與使用，相比于傳統(tǒng)預(yù)熱應(yīng)力安裝，直埋敷設(shè)無(wú)補(bǔ)償冷安裝技術(shù)的投入較少，且無(wú)預(yù)熱或額外補(bǔ)償安裝所需的費(fèi)用，大大節(jié)約了建設(shè)資金；施工周期較短，管線壽命長(zhǎng)，維護(hù)費(fèi)用較少以及熱損小，既降低了系統(tǒng)中危險(xiǎn)點(diǎn)的數(shù)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(wú)補(bǔ)償安裝方式

目前，在國(guó)內(nèi)外較為普遍的直埋管道安裝方法包括預(yù)應(yīng)力安裝和無(wú)補(bǔ)償冷安裝兩類。

2.1 預(yù)熱應(yīng)力安裝

預(yù)熱后安裝直埋是一項(xiàng)安全性較高、費(fèi)用少的鋪設(shè)方法，當(dāng)管線溫度升至預(yù)熱環(huán)境溫度時(shí)回填或連接，在管線溫度回升至環(huán)境溫度時(shí)，管線將達(dá)到最大拉應(yīng)力狀態(tài)，從而形成預(yù)應(yīng)力效果。管子所受到的材料應(yīng)力減少，并且在正常工作時(shí)形成了拉應(yīng)力，而停車時(shí)也會(huì)形成壓應(yīng)力。并且因?yàn)橐欢康牟牧蠠崦涀兓嵩绶懦?，因此管子在工作中壓?yīng)力和拉應(yīng)力都不大于鋼鐵的許用應(yīng)力。

加熱裝置按照預(yù)熱施工的流程，分為有敞開(kāi)式預(yù)熱時(shí)間內(nèi)安裝和設(shè)置在一次性補(bǔ)償器浮土后加熱兩類。

2.1.1 敞開(kāi)式預(yù)熱安裝

在覆土前，管線內(nèi)能夠?qū)嵭虚_(kāi)啟式加熱。因?yàn)闆](méi)有了土地摩擦力，管線的熱脹變化能夠及時(shí)產(chǎn)生，加熱時(shí)間溫度為管線內(nèi)平均殘余應(yīng)力為零的環(huán)境溫度。當(dāng)管子被升溫至預(yù)熱室溫時(shí)覆土后再冷卻，使管子獲得了相應(yīng)的平均位置水平。在第一次通過(guò)加熱移動(dòng)后，其管子端的移動(dòng)和冷安裝時(shí)的位置基本相同，但減少了冷安裝在第一次移動(dòng)時(shí)的較大移動(dòng)。

2.1.2 一次性補(bǔ)償預(yù)熱

這種方式是在管子的直段部分，按照計(jì)算的距離分段放置了一次補(bǔ)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(yù)熱時(shí)間之前調(diào)至設(shè)定值，并在管子開(kāi)始預(yù)熱使補(bǔ)償器的延伸量調(diào)節(jié)完畢后與下一次補(bǔ)償器連接為整體，對(duì)管子的熱脹變形量進(jìn)行了提前釋放。補(bǔ)貼器被焊死之后缺少補(bǔ)償功能而僅被當(dāng)做管道用。由于土壤摩擦力的影響，隨著系統(tǒng)環(huán)境溫度的改變，整體位置也將均勻而一致。

2.2 無(wú)補(bǔ)償冷安裝

無(wú)補(bǔ)償冷安裝管線的組對(duì)焊和壕溝回填等均要在正常溫度下完成。管線應(yīng)力驗(yàn)算應(yīng)用分類法與安定性分析原理，根據(jù)上述方法建設(shè)的直埋式熱工水力管道，直管段內(nèi)一般可以不設(shè)補(bǔ)償裝置且無(wú)須加熱，在施工技術(shù)的冷態(tài)條件下進(jìn)行管線能夠達(dá)到零應(yīng)力狀態(tài)。工程設(shè)計(jì)中充分考慮了不同負(fù)荷條件下可能的組合情況，選擇了不同的強(qiáng)度驗(yàn)算條件，以提高管線的安全可靠性。施工時(shí)，在保證安全保護(hù)措施的條件下才能保證工程的質(zhì)量可靠性。

3 無(wú)補(bǔ)償冷安裝直埋供熱管道安裝規(guī)范規(guī)定

3.1 工程概況

甘肅省嘉峪關(guān)市酒鋼電廠2×350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組乏汽余熱回收供熱改造工程（廠外）DN1200供熱管道分項(xiàng)工程，敷設(shè)起點(diǎn)為酒鋼電廠圍墻至明珠路，管線長(zhǎng)度3.3 km，本工程為整體項(xiàng)目的廠外部分，起點(diǎn)為電廠圍墻處DN1200架空管線288 m，入地之后沿機(jī)場(chǎng)路至明珠東路交叉口，主管徑DN1200及DN900，全長(zhǎng)3.3 km。本工程熱媒設(shè)計(jì)參數(shù)：105 ℃/50 ℃，設(shè)計(jì)壓力：1.5 MPa。閥門附屬設(shè)施按照2.5 MPa選型，全線有5個(gè)閥門支井，原來(lái)DN800的供熱管線并為回水管線，接點(diǎn)時(shí)注意酒鋼電廠一次網(wǎng)供水管線水流方向，坐標(biāo)點(diǎn)與標(biāo)高復(fù)核，沿供水方向，左供右回。工程遵循《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 81—2013）、《硬質(zhì)聚氨酯噴涂聚乙烯纏繞預(yù)制直埋保溫管》（GB/T 34611—2017）要求，計(jì)算條件：供水溫度105 ℃；工作壓力1.6 MPa；鋼管材質(zhì)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(jì)算，最不利條件計(jì)算結(jié)果為極限溫差128 ℃，可以滿足正常施工條件要求，本項(xiàng)目直埋管道采用無(wú)補(bǔ)償冷安裝設(shè)計(jì)是安全的。因此本工程按照技術(shù)可行性選擇了直埋無(wú)補(bǔ)償冷安裝施工技術(shù)，保證工期的順利進(jìn)行和實(shí)際的工程效果。

3.2 規(guī)范規(guī)定

在改造工程中使用無(wú)補(bǔ)償冷安裝技術(shù)時(shí)，在大折角處附近采用U形彎加強(qiáng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，按照設(shè)計(jì)變更施工后，避免了實(shí)際投產(chǎn)運(yùn)行中大折角處應(yīng)力破壞帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，直埋供熱管道安裝規(guī)范規(guī)定具體如下：

（1）工程施工技術(shù)規(guī)范依據(jù)《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T81—2013）實(shí)施，規(guī)程中規(guī)定了設(shè)計(jì)工作溫度不足或超過(guò)150 ℃、設(shè)計(jì)水壓≤2.5 MPa以及管材公稱直徑≤1 200 mm。

（2）一次應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算的特性是變化的而非自限性的，因此對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度測(cè)量宜用彈性應(yīng)力分析方法或極限分析方法。

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

4 無(wú)補(bǔ)償冷安裝直埋供熱管網(wǎng)安裝技術(shù)的發(fā)展原理

有補(bǔ)償直埋管道受熱變形使管子截面形成軸向應(yīng)力，所以在A處補(bǔ)償器要求熱力工程管路不會(huì)直接產(chǎn)生塑性變形，軸向應(yīng)力與拉伸應(yīng)力的分布如圖1所示，A處為自然延伸狀態(tài)，受熱使管子截面形成軸向應(yīng)力，所以會(huì)有安裝距離計(jì)算量。確定直埋供熱管道是處于錨固段還是過(guò)渡段，對(duì)管道應(yīng)力分析顯得尤為重要，直管段最大過(guò)渡段長(zhǎng)度是確定直埋管道錨固點(diǎn)位置、計(jì)算管道熱伸長(zhǎng)量的重要依據(jù)，不論管子是受熱或者制冷如低于自然屈服極限，則不會(huì)引起損壞[1]。當(dāng)熱力管線溫度下降至常溫時(shí)，拉應(yīng)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(yīng)力值仍低于允許拉伸應(yīng)力限值，B點(diǎn)摩擦阻力和高溫上升形成的熱脹應(yīng)力相等，在屈服階段中會(huì)發(fā)生拉伸應(yīng)力改變不大但拉伸應(yīng)力變化明顯的現(xiàn)象。無(wú)補(bǔ)償冷安裝是無(wú)補(bǔ)償器，無(wú)固定墩，常溫下直埋安裝，這就是無(wú)補(bǔ)償供熱管直埋敷管技術(shù)的基本原理。

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

5 直埋無(wú)補(bǔ)償冷安裝供熱管線架設(shè)技術(shù)的要點(diǎn)分析

直埋無(wú)補(bǔ)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(yīng)設(shè)有放氣閥門，底部設(shè)有放水閥門，并且有相對(duì)位移處，如地埋管線的彎頭處拐彎部要采取軟防護(hù)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(jìn)行處理，土壤的品質(zhì)將直接關(guān)系到技術(shù)應(yīng)用的有效性，若出現(xiàn)問(wèn)題則可會(huì)產(chǎn)生不平衡沉降，由于上述工程在建造之前已經(jīng)研究了大量的地下施工與建設(shè)環(huán)境資源，并作出了詳盡的規(guī)劃設(shè)計(jì)，所以實(shí)際施工中從未發(fā)生過(guò)該問(wèn)題。溝槽在施工過(guò)程中若發(fā)生了高度誤差，將會(huì)造成管道施工的質(zhì)量問(wèn)題，以及管線投產(chǎn)后的安全問(wèn)題，因此上述施工在土方開(kāi)挖之前，必須嚴(yán)格測(cè)定施工放線、進(jìn)行實(shí)測(cè)高度，對(duì)管頂以上的200～300 mm以上間距，和對(duì)管腔外側(cè)周圍的中砂回填區(qū)采取人工分層方式進(jìn)行夯實(shí)，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(zhì)的性能必須符合實(shí)際需要，外保護(hù)層為高密度聚乙烯外護(hù)管。其優(yōu)點(diǎn)是保溫管道在工廠內(nèi)利用機(jī)械完成聚氨酯發(fā)泡、高密度聚乙烯外護(hù)管一次成型。高密度聚乙烯外護(hù)管的壁厚達(dá)到10 mm以上，采用保溫后的鋼管抗壓強(qiáng)度較高且防腐效果也較好，并與鋼管有很強(qiáng)的結(jié)合力，以防止預(yù)制保溫管道失去其固有的特性。

5.2.2 折角與三通設(shè)計(jì)要求

在實(shí)際過(guò)程中由于管道折角的水平應(yīng)力一般遠(yuǎn)大于管道彎頭。因此，管道折角很容易在循環(huán)荷載的作用下發(fā)生疲勞破壞，甚至局部穩(wěn)破壞，建議在熱力管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能地少用管線折角，可采用管線彎頭替代[2]。實(shí)際在此次工程設(shè)計(jì)中6°、9°、22°、90°的管線折角，采用新型雙層折角彎頭。計(jì)算結(jié)果表明，新型雙層折角能有效降低折角的應(yīng)力最大值，且折角度越大，應(yīng)力值降低效果越好[3]。管道三通采用加強(qiáng)三通，三通壁厚比直管段壁厚1～2mm。根據(jù)本項(xiàng)目熱源實(shí)際情況，一級(jí)網(wǎng)管道管件公稱壓力1.6 MPa。

5.3 閥門選擇

閥門選用高品質(zhì)閥門：公稱直徑大于或等于300 mm的切斷閥選用高品質(zhì)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(cè)

管子接口檢查在無(wú)補(bǔ)償直埋管線工程中非常關(guān)鍵，由于管子在實(shí)際工作中的負(fù)荷逐漸增大，因此對(duì)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(cè)焊接，對(duì)抽查過(guò)的焊縫，抽查總量不應(yīng)低于焊接總量的25%，且每個(gè)焊接件數(shù)量不應(yīng)小于一個(gè)焊縫。抽查時(shí)，對(duì)穿越主干道道路兩側(cè)5 m范圍內(nèi)的焊縫進(jìn)行了100%射線探傷檢查，把各種不合格的焊縫一一查出并進(jìn)行了焊接，并側(cè)重進(jìn)行固定焊接口，因此提高了整體施工品質(zhì)，并防止了后期發(fā)生應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。

6 無(wú)補(bǔ)償水冷系統(tǒng)安裝直埋供熱水管道施工技術(shù)的應(yīng)用策略

嘉峪關(guān)市酒鋼電廠2×350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組乏汽余熱回收供熱改造工程（廠外）DN1200供熱管道分項(xiàng)工程，嚴(yán)格遵循《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 81—2013）執(zhí)行，保證工程符合預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)。

6.1 開(kāi)展地質(zhì)勘察

上述施工均按砂礫質(zhì)堅(jiān)土場(chǎng)地考慮，揭露區(qū)域地下初見(jiàn)水位190～210 m，靜止水位高度為1 420～1 430 m，根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果和區(qū)域地貌資料，管道區(qū)域內(nèi)亦不存有危害工程的古墓、防空穴、孤巖等結(jié)構(gòu)不良掩埋物。

6.2 管道安裝施工

管道彎頭采用預(yù)制彎頭，一般彎頭的彎曲半徑按3倍DN，個(gè)別位置緊張的彎頭根據(jù)實(shí)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(zhì)量必須嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家有關(guān)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，而對(duì)于在管段結(jié)合處等沒(méi)有通過(guò)射線檢測(cè)的焊口也要通過(guò)超聲波檢測(cè)，以防止施工時(shí)發(fā)生產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。

6.3 管道保溫處理

管道保溫采用共廠預(yù)制保溫管不僅提高了管道施工的整體質(zhì)量，還可以避免由于人工保溫技術(shù)水平差所帶來(lái)的施工風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。而管件的連接保溫工作則在管件裝配完成和強(qiáng)度測(cè)試合格后完成，管道吊裝按照《05R410熱力管道直埋敷設(shè)圖集》規(guī)定，管道接頭保溫質(zhì)量符合《城鎮(zhèn)供熱直埋管道接頭保溫技術(shù)條件》（GB/個(gè) 38585—2020）和《保溫管道用電熱熔套（帶）》（GB/個(gè) 40068—2021）規(guī)定要求，具體施工方法如下：

（1）按圖紙規(guī)定施工溝槽開(kāi)挖時(shí)，開(kāi)挖深度要達(dá)到設(shè)計(jì)溝底深度。管道吊裝和進(jìn)溝作業(yè)時(shí)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(jìn)行起吊作業(yè)。

（2）施工進(jìn)行到管道接頭保溫時(shí)，在管道外保護(hù)層兩側(cè)采用一體式電熱熔套搭接，其搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于100 mm，施工人員同時(shí)收緊捆扎在電熱熔套兩側(cè)的拉緊器，使電熱熔套兩側(cè)與管道外保護(hù)層之間受力緊貼防止灌注發(fā)泡劑時(shí)移動(dòng)錯(cuò)位。

（3）灌注發(fā)泡劑前，現(xiàn)場(chǎng)施工人員必須對(duì)電熱熔套進(jìn)行熔焊，首先把電熱熔焊機(jī)一側(cè)電源輸入端導(dǎo)線與電源相連，另一側(cè)輸出端正負(fù)極導(dǎo)線與電熱熔套兩側(cè)所自帶的電容絲網(wǎng)連接導(dǎo)線相連，然后在電熱熔焊機(jī)上設(shè)置好相匹配的參數(shù)啟動(dòng)加熱程序按鍵，通電后電熱熔套與管道外保護(hù)層兩側(cè)被熔焊在一起；由于電熱熔套與管道外保護(hù)層兩側(cè)搭接會(huì)形成環(huán)形臺(tái)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(huán)形臺(tái)階接口處使其充分熔接封閉接口；為了保證管道接頭處嚴(yán)密性，在搭接的電熱熔套用上方用電鉆打孔，在開(kāi)孔部位用試驗(yàn)壓力為 0.02 MPa壓縮空氣對(duì)管道接頭部位的電熱熔套管內(nèi)部進(jìn)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(jìn)行吹氣試壓檢漏合格后，把聚氨酯發(fā)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(fā)泡劑澆筑于接頭電熱熔套與管道形成的環(huán)狀空間中，澆筑時(shí)注射壓力要大于10 MPa，聚氨酯發(fā)泡劑發(fā)泡完成后，用防水堵塞密封。

6.4 回填及試壓

現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)地勘資料核實(shí)后方可使用原土回填，強(qiáng)度測(cè)試氣壓為1.5倍的設(shè)計(jì)氣壓，但壓降不能小于0.6 MPa，管底鋪設(shè)過(guò)篩細(xì)土，其他部分填沙或過(guò)篩細(xì)土，填筑物的料粒徑宜≦2 mm，基本施工密實(shí)度宜符合設(shè)計(jì)規(guī)定。

7 結(jié)束語(yǔ)

直埋預(yù)制保溫管無(wú)補(bǔ)償氣冷安裝方法已獲得了國(guó)內(nèi)供暖業(yè)界的普遍推廣和肯定，但當(dāng)前實(shí)踐運(yùn)用中還是存在著一定的問(wèn)題，必須對(duì)該項(xiàng)技術(shù)加以深入研究，認(rèn)真對(duì)待每一細(xì)節(jié)，以促進(jìn)中國(guó)供暖產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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