大口径无补偿直埋管道的预热处理.doc

大口径无补偿直埋管道的预热处理秦皇岛市热力总公司赵文彬杨玉兰李燕军内容摘要：本文介绍了芬兰大口径一次性预热无补偿直埋技术在秦皇岛市集中供热工程中的应用，对比分析了国内外直埋管道预热处理的设计理论和方法，并结合工程实际情况，着重介绍了直埋管道现场预热处理工艺的要点和注意事项，阐述了大口径无补偿直埋技术的可行性和适用性。 一、概述秦皇岛市海港区集中供热工程系利用秦皇岛市热电厂一期两台200MW发电机组抽汽供热。本工程设计供热面积533万平方米，供热能力336.6MW。工程建设热力站38座，热网调度中心1座，主管网最大管径为DN1000,一次管网总长26km，最大供热半径6.3km，热力站全部为间接连接。一次网供回水温度近期为120/70，远期为135/70，二次网供回水温度为85/60。工程项目总投资3.2亿元，其中利用芬兰政府贷款973万美元，用于引进芬兰先进的供热技术和设备，引进的设备主要有管径大于DN500以上的预制直埋保温管、换热机组和自控系统。该工程于1998年9月破土动工，到2000年9月完成一次管网20.7公里，新建热力站23座，实现供热面积258万平方米。秦皇岛市北倚燕山，南临渤海，地下水位较高，稳定水位最浅处为0.7米，相当于绝对标高1.88米，氯离子含量最高达4880mg/L，对不锈钢有严重腐蚀性。地质条件较差，沿管线普遍为杂填土，部分地段有流砂、风化岩、淤泥等。根据实际情况，管网设计引进芬兰大口径一次性预热无补偿直埋敷设技术，对于供水管道采用了一次性补偿器预应力安装方法，对于回水管道由于运行温度低，除DN1000管道外，均未装设任何补偿装置，完全依靠自然补偿。对于市区外的输送管线，采用了敞沟预热方式；对于市区内主管道，由于管线存在许多方向变化，并考虑减小对市容及交通的影响，采用了覆土预热方式；对于支干线仍采用有补偿敷设方式。二、芬兰大口径无补偿直埋技术的应用八十年代初，我国引进了北欧国家生产的预制保温管，目前已在国内城市供热工程中广泛应用。直埋管道工程是一个完整的体系，近年来，我国的供热管道直埋技术在生产、设计、安装和运行等方面都得到了迅速发展，并且形成了自己的行业标准体系。1、生产安装技术秦皇岛热网工程是引进芬兰KWH公司生产的预制直埋保温管，是由St44低碳钢管，聚氨脂泡沫塑料保温层(PUR)和高密度聚乙烯外套管(PEHD)组成，三者粘结在一起，形成一个整体式组合管，其制造、检验验收均执行欧州标准：EN253(管道)、EN448(管件)、EN488(阀门)、EN489(接头)。无补偿直埋管道设计计算的前提条件是，PUR聚氨脂与钢管和PEHD外套管之间粘结牢固，三位一体，在运行过程中始终保持一个整体，所以三者之间的粘结程度，对管道系统的安全性是至关重要的，在制造过程中，要格外对钢管外表面进行喷丸处理，并对PE外套管进行电晕处理，以保证足够的粘结性能(剪切强度)，这也是我们考察生产厂必须着重强调的一点。其次是管道接头，它是最终将直埋管道系统连为一个整体的关键环节。芬兰KWH采用的是塑料焊接方式，它的整体性要比热塑带方式好。对于管道的安装，芬兰KWH公司专门为秦皇岛热网工程提供了安装手册，从沟槽开挖到管道安装、接头发泡、管件保护、管道预热以及检测验收等，都做了具体和详细的要求，对管道施工和管理起了很好的指导作用。2、设计理论和方法生产厂家推荐的敷设形式和设计方法，都是以弹性分析法为依据。由于受到采用弹性分析法的限制，管材的承载能力没能充分发挥，使用温度受到了限制。对于材质为Q235的钢管，在弹性状态下能够承受的最大温差：ty=/E=125/2.44=51即使采用预热方式，对于最高供水温度达到135来讲，已超出了弹性分析进行应力验算的要求。鉴于国内城镇直埋供热管道工程技术规程(CJJ/T8198)以及欧州区域供热手册，将管道应力进行了分类，对于温差变化引起的变形作用是可以自限的，产生的应力属二次应力，可采用安定性分析方法，允许最大弹性应力变化范围为屈服极限s的两倍。经与芬方专家交流，并结合工程实际，将管道应力不超过钢材的基本许用应力提高到屈服极限s，这样，最大允许温差为Ty=s /E=235/2.44=96，相对安定性分析法而言，还是比较保守的。对于大口径直埋管道，除塑性变形破坏和疲劳破坏之外，还应防止局部集中的塑性变形，在欧州区域供热手册中给出了纵向压应变的限制值，可以通过改变管道截面特性或预热等方法来限制局部失稳。对于三通、弯头等管件，为避免所连直管的热胀变形引起管件破坏，除合理布置管系和采用加强管件外，还在膨胀区内设置了泡沫垫，必要时设置固定墩限制热位移量。三通是应力比较集中的部位，容易引起疲劳破坏，应尽可能采用具有较大柔性的“飞腿式分支”(跨越三通)。三、直埋管道现场预热处理工艺1、预热安装方式(1)敞沟预热：在管道安装完之后覆土之前，管道进行预热。管道被加热到预热温度时，保持温度恒定，将一次性补偿器焊死，接着进行覆土，待整个预热段全部回填完之后，再开始降温。管道被加热到预热温度覆土后，管道内壁达到平均应力水平。如果不考虑土壤摩擦力以及活动端对管道伸缩的阻力，此时管道内的温度应力应为零，此后随着温度的升/降将在管道内产生压/拉应力。(2)覆土预热：可以在预热之前将管线覆土，仅在补偿器附近的沟槽处敞口，当被加热到预热温度时，将补偿器压缩到预先设定的位置，保持恒温，将补偿器焊死，使其不再起补偿作用而成为管道的一部分。当管道加热到预热温度时，在两个补偿器之间的局部应力将高于补偿器处的应力。以后随着温度的变化，管道内的应力将逐渐趋于一致。对于预热安装，首次位移时，其锚固段的应力水平大约为冷安装应力水平的一半，这可降低管壁局部屈服的危险性，对较高温度的大口径管道是有利的。2、预热温度(1)敞沟预热。鉴于高温时的屈服应力下降，预热温度应该略高于循环中间温度tm。芬兰KWH安装手册推荐附加温度为08，即tdp=tm(08) tm=0.5(t1t2)(2)覆土预热。预热温度为循环中间温度tm加上克服土壤摩擦力的附加温度t，即：tdp=tmtt=LcF/2AE106式中tdp计算预热温度();tm循环中间温度()；t 附加温度()；t1管道工作循环最高温度()；t2管道工作循环最低温度()；A钢管管壁横截面积(m2)。3、升温速度管道膨胀受土壤约束，而且由于地埋位置不同，覆土深度和密度不同，以及管道变角度等各种因素影响，往往会造成管道膨胀不均匀。为避免管道内局部应力过大，使管道得到充分膨胀，除在预制保温管外缠绕塑料布以减小摩擦力外，还要严格控制升温速度。芬兰KWH公司推荐升温速度为2/6分钟(即20/小时)，我们认为这个升温速度是比较高的。经研究，将升温速度调整为4/小时，并在温度升至循环中间温度tm时恒温6小时。在实际预热过程中，经观察发现管道的膨胀不是连续和稳定的。在恒温状态下，同一个补偿器在不到1小时就产生5mm的位移量，这说明热膨胀的滞后性。同时，在观察位移量时还发现有的补偿器前后不到1分钟，补偿器会突然压缩45毫米；在升温过程中，有时近2个小时，有的补偿器压缩量没有变化。通过实践证明降低升温速度和适当恒温是正确的。芬兰KWH公司在去年修订的安装手册中也据此做了修改。4、预热伸长量L=(tmti)LprL预处理管道伸长量(m)ti：预处理管段初始位移为零时管道温度()，一般可取预热前管道内水温。Lpr预处理管段长度。由于预热附加温度的计算与土壤参数变化、回填密实度等诸多因素有关，所以在预热时确定管道预热处理的标准应为预热伸长量，当补偿器的压缩量达到计算预热伸长量时，即可将补偿器焊死。预热温度可以作为预热升温时的一个参考值。对于预热段内最后一个达到预热伸长量的补偿器，若附加温度已达到推荐的最大值(覆土预热为20，敞沟预热为8)，而伸长量尚未达到计算值，则须认真分析原因，最好采取恒温让管道充分膨胀或外力拉伸等办法，以达到计算伸长量。5、预热段的划分首先，合理确定预热段长度。预热段太短，则预热段的数量增加，由于每段预热所用的时间和耗用的辅助材料基本上是一样的，所以预热所用的总时间以及总的工作量和费用也会相应增加。预热段太长，一方面会造成前后端温差增大，温度控制难度增加；另一方面，补偿器处的工作坑凉槽时间长，需维护抽水的工作量增加。芬兰KWH公司推荐预热段长度为200500米之间；我们结合工程施工段的划分情况及工程总体时间安排，最后确定预热段长度为10002000米之间。对于市区内管道取下限，市区外取上限。其次，要处理好预热段之间的衔接。在两个预热段之间的管端因降温后覆土压不住会引起管端回缩，一般可采用设置一次性补偿器来补偿回缩量，并结合热网试运行，当达到预定膨胀量时，再将该补偿器焊死。但这样该补偿器需长时间敞槽，势必增加工程费用，最好的办法是合理划分预热段，将两个预热段分界点设置在拐弯处或固定点处，减小管端回缩量。最后，要合理利用沿线已有锅炉房作为预热热源。6、注意事项预热之前，要编制详细的预热方案，严格按照预热方案做好人员、物资、设备和技术等各项准备工作。预热时，要统一指挥，规范操作，同时要注意以下事项：(1)补偿器要设限位板和位移指示器：每个一次性补偿器都要按照预计的压缩量设置限位板，以防达到预热温度时补偿器压缩过量。设置位移指示是便于升温时观察补偿器的压缩量变化情况。(2)对于覆土预热，凡参与预热的三通、弯头处均应敞槽，以便在升温时位移不受限制。当达到循环中间温度tm时，将其覆土。(3)预热过程中，要严格控制预热升温速度，注意观察补偿器位移情况，定时做好记录。(4)对于敞沟预热，预热前要每间隔10倍管径的距离设一个砂支承，砂支承高度为管外壳直径的0.6倍，宽度为1米左右(大管道适当加大)，以防管道纵向失稳。同时，在虚拟固定点和管道转弯处要先回填，以约束管道位移，回填长度一般为20米左右。四、结 论通过运行检验，证明大口径一次性预热无补偿直埋技术是可行的，特别是对于地下水位较高、土壤具有一定腐蚀性，含氯离子较高的地区，更适合采用无补偿直埋技术。因一次性补偿器预热焊死后将成为管道系统的一部分，整个预热管道系统最后将形成一个完全与土壤隔绝的封闭系统，并可以取消很多补偿器小室，解决了补偿器活动部分的腐蚀问题，减少了管网的维修工作量。从另一方面讲，采用预热无补偿直埋技术，在设计、制造、施工和运行各个方面都有较高的要求，每一个环节对热网的安全都起着同等重要的作用。大口径管道主要用