对供热管道一次性补偿预热施工方法的探讨
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【摘要】对于城市集中供热管道的一次性补偿预热施工方法, 目前在施工中应用的较少，通过工程实例把施工过程中的实践数据、应用公式、施工步骤、要点及应注意的问题作了介绍。
【关键词】一次性补偿；预热施工；零应力温度
为使城市供热管网在运行中安全、经济，城市供热直埋管道一次性补偿得到了广泛应用.城市供热管道直埋敷设方式一般可分为3种：有补偿直埋敷设、无补偿直埋敷设、一次性补偿直埋敷设。随着社会的发展，居民生活水平的提高，城镇冬季供热的集中化、普及化，使用户和运行管理方对供热管道，尤其是高温热水管道运行的安全性、稳定性越来越重视，迫使设计和安装工艺逐渐由有补偿敷设向无补偿、一次性补偿直埋敷设发展。
1 工程概况
某高温热水管网工程属于大口径、高温水供热管道，DN800管道约为3200m，DN400管道约为400m，沟槽长度约为1800m，充水量约为1600m，设计运行参数为供、回水温度135/70℃，工作压力1. 4MPa，采用一次性补偿预热直埋敷设。其管道安装工艺流程为: 管道、沟槽检验—管道预制—开挖焊接操作坑—机械布管—管道组对、安装—固定支墩浇注—焊口探伤(管道试压)—管道预热—补偿器焊接—补偿器保温—沟槽回填压实—竣工验收及清理。
2 技术难点
2.1 一次性补偿器的焊接：一次性补偿器最后的焊接固定是角焊缝，强度要比管道上的对接焊缝小，是一个薄弱环节, 因此一定要控制好一次性补偿器的焊接，不同厂家的一次性补偿器都规定了各自的焊接工艺，若无要求，应编制焊接方案，并征得设计、厂家的认可。
2.2 预热伸长量的计算及测量，此程序是保证预热效果的关键，计算值与实际预热值的误差一般应控制在2-3cm。
2.3 升温速度一般不应超过4℃/h, 使管道缓慢延伸，确保安全。对于较长管线整段预热由于采用的热源功率一般不会太大，大火燃烧温升速度一般不会超过4℃ /h。
3 一次性补偿器施工原理及施工要点
3.1 一次性补偿器施工原理
3.1.1 热应力计算对于热水管道所受到的热应力，按照供水温度95℃，管网安装温度20℃计算，管道温差变化产生的热应力为：
σ=α×E×Δt
式中：α为钢材线胀轴向系数1.2×10-5℃;E为钢材弹性模量2. 0 ×105N/ mm2 ; Δt
为温度差℃，即：σ=1.2×10-5 /℃×2.0× l05 N/mm2 ×(95-20)℃=189 N/mm2> 123N/ mm2(Q235B钢管的许用应力)。
3.1.2 热应力的释放通过以上的计算可知，热应力σ已大于Q235B钢管的许用应力123N/mm2，也就是说管道的许用应力承受不了因热胀产生的热应力。因此要保证供热管道安全运行，必须将温度变化产生的热应力合理释放，释放方式之一是在管道低温状态下对管道进行“冷紧”，迫使管道产生拉应力，在管道受热膨胀时，拉应力和热应力相互平衡达到管系稳定。城市供热管道的无补偿、一次性补偿直埋敷设是通过管道预热来达到管道的“冷紧”释放热应力的，
3.2 一次性补偿器预热直埋施工要点
在管道焊接完毕沟槽回填后(一次性补偿器处不回填)，对管道进行预热，管道热伸长被一次性补偿器吸收，达到预热伸长计算值后，立即将一次性补偿器的固定外壳与滑动套筒焊接牢固，使其不能再次伸缩，预热结束后管道由于温降产生的应力在管道中表现为拉应力，使管道处于冷紧状态，用以克服管道再次受热时产生的应力，这种直埋方式的安全可靠性较好，适应范围广，补偿器仅使用一次，故障率极低，并可延长管道的使用寿命。
4 工程整段预热
4.1 预热资源准备
该工程进行整段预热，预热长度已超过设计所要求的沟槽长度400 -500m，预热热源采用移动式常压燃油热水锅炉，型号为：CWHS2-1-90/05，额定功率为2. 1MW，进出温度为90/70 ℃，水流量为72m3/h，配备热水循环泵型号为：KQL100/170-15/2，流量80m3 /h，扬程40mH2 O，功率15kW。
4.2 补偿器预热伸长的计算
在一次性补偿器安装时，应先计算各个补偿器的预热伸长量，预热伸长量计算式如下：
ΔL=α（tm.-tp)L
式中α为钢材的线胀轴向系数，1.2×10-5//℃;tm为预热温度(零应力温度)℃ ;tp为管道补偿器焊接安装时的环境温度℃，该工程取25℃;L为补偿段长度m。
预热温度tm： (零应力温度)计算式如下：
tm=(t1 t2)/2
式中：t1为管道最高工作温度，取热网设计供水温度;t2为管道供热时循环最低温度，一般供暖运行时取10℃。
该工程：供水管tm=(135℃ 100℃ )/2=72. 5℃
回水管tm=(70 ℃ 10℃)/2=40℃
补偿段长度计算式如下:
L=( L1 L2)/2
式中： L1 ,L2以设计尺寸为准，
4.3 在补偿器上标记预热伸长
一次性补偿器预热伸长量计算无误后，根据补偿器计算的补偿量不同在已安装补偿器上进行预热伸长量标记(焊接固定档板)或者在安装前调整定位螺栓使滑动套筒限制在预热伸长量计算值处，然后安装。该工程中一次性补偿器采用两个生产厂家的产品，由于设计生产思路不同，一种补偿器是按照设计所提供的全段热伸长量进行生产；另一种是按照零应力温度计算的预热伸长量进行生产。前一种补偿器的外壳固定挡板与滑动套筒在预热结束时不会接触，两者之间会有一定间距，焊接时需要外护钢板加强，后一种补偿器由于是按照预热伸长量设计生产的，在达到预热伸长量时，补偿器的滑动套筒应与固定挡板接触在一起，不需要外护钢板加强。
4.5 预热并进行补偿器的焊接
该工程在经过40h的加热后，回水管温度达到40℃，经检查回水管一次性补偿器都未到达预热伸长量计算值位置，因此决定锅炉继续升温，同时注意补偿器的热伸长量，至48h回水管升温至53℃时回水管各个补偿器先后都已达到预热伸量计算值位置，此时保持恒温进行回水管一次性补偿器焊接。回水管补偿器焊接牢固后，锅炉继续燃烧升温至73℃时供水管仅有两处补偿器到达预热伸长量计算值位置，将这两处的补偿器焊接。升温至82℃时剩余三处补偿器仍未达到位置，最大差3 cm，继续升温至88℃最高温度时，这三处补偿器基本无再伸长变化，维持86-88℃近40h后，观察仍无伸长变化，因此不再延长预热时间，即可进行补偿器的焊接。
4.6 问题及措施
在预热过程中，有的补偿器能够达到预热伸长量计算值位置;有的则不能，分析达不到预热伸长量计算值的原因：一是管段中有两处较大的折点，大大增加了管道热伸长的约束力，二是管段覆土较深(埋深在4m以上，局部管段埋深在7m左右)。事实证明，管段地势平坦，管顶覆土深度在2m以内的，能够及早达到预热伸长量计算值，为了减小土壤磨擦阻力，安装管道时可以在管道外壳上包裹一层PVC塑料薄膜。
5预热过程中应注意的事项
5.1 根据工程实际情况确定预热方式，比如：工期、环境条件、现场地形条件、设计条件等，一般来讲，对于敷设在郊外，允许长时间敞槽且临时热源比较方便时，应优先选用敞槽式预热，对于沿城市街道敷设的管道，应采用部分管段回填后预热的方法。
5.2 在预热过程中，到达零应力温度是一个标志点，此时应认真测量并确定一次性补偿器是否到达预热伸长量计算值位置，若没有，可适当提高预热温度使其尽量到达伸长位置，回水管一般都没有问题，因为回水管零应力温度（tm回）较低，即使此时一次性补偿器达不到要求位置，在提高供水管〔tm供〕过程中，一般都能达到,问题在于达到供水管(tm供)以至于升到最高温度时(预热温度一般不应超过900℃)，供水管一次性补偿器仍然有可能达不到位置，此时可以保持最高温度恒温8-10h，若仍然达不到位置或效果不明显，也应进行一次性补偿器焊接，不应再继续升温。
6 结束语
热水预热的优点是升温稳定，容易进行温度控制，采用此种方式预热管道可以敞槽也可以回填；缺点是预热所用设备、管道连接较复杂，升温慢、时间长、前期造价相对较高，需要充、排水，对于较长管线，充、排水需要较长时间，且水源、排水不方便时较麻烦，因此，采用该方法，事先必需充分考虑上水水源和废水排放，避免因考虑不周对周边建筑物、构筑物等造成影响。