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摘要：随着城市规模扩大，城市热网承担的热用户也日趋庞大，热负荷的增加，使得管网管径和距离也在增加，而大口径热力管道在决定壁厚时，需要综合管道运行安全性的多个方面，本文以某热力工程为例探讨电预热技术在直埋热水管道安装中的应用。
关键词：电预热;直埋;热水管道;壁厚;局部屈曲
1背景
电预热技术应用于城镇供热管网中较高运行温度不超过140℃的热水预制直埋保温管道，是目前国际上较为先进的预制直埋保温管无补偿预应力安装方式。对于直埋热水供热管道，电预热安装方式属于无补偿安装方式的一种，与无补偿冷安装方式相比，不仅可以减小工作钢管壁厚、降低工程造价，还可以有效地减小管道运行时的热应力。因此，电预热安装方式对于大管径热水管道具有明显优势，近年来电预热安装方式在大管径直埋热水供热管道的安装中得到了广泛的应用。
2工作原理
电预热技术的原理是将工作钢管作为电阻，通过电缆将工作钢管与电预热设备连接形成回路，将钢管温度加热到设计预热温度，使管道产生一定拉应力（产生轴向位移），回填后，在保温管道工作管、保温层、外护管与土壤摩擦力作用下使管道保持此拉应力。当保温管道运行时，随着介质温度的升高，原拉应力逐渐减小，当介质温度达到电预热安装温度时，保温管道拉应力为零，介质温度再升高，管道产生压应力，介质温度达到设计温度时管道产生的压应力小于管道许用应力或者满足管道局部屈曲安全要求，从而保证管道的安全性。
3工程条件
以某供热工程为例，设计供热能力1200MW， DN1400管道沟槽长度23km，设计压力2.5MPa，设计供回水温度130/60℃。本工程的管道管材采用L360管线钢，其屈服强度360MPa，抗拉强度为460MPa，许用应力为153MPa。
根据《长输供热热水管网技术标准》（征求意见稿）提供的局部稳定性验算公式，对于设计压力2.5MPa、设计温度130℃的DN1400管道，在预热安装温度60℃，供水管道壁厚δ为18mm时，管道外径1420mm，管道半径r为710mm，长直管段的压应力为σ，E为钢材的弹性模量，α为钢材的线膨胀系数。
r/δ为39.4>28.7，则σ=αE（t1-t0）=120MPa≤〔σ〕=9250δ/r+11.7=246MPa，满足局部稳定性验算要求。
如采用冷安装，σ=αE（t1-t0）=288MPa≤〔σ〕=9250δ/r+11.7。
δ=21.2mm，实际圆整管道壁厚为23mm（r/δ=30.9>28.7）。
本工程DN1400管道，无补偿冷安装供水管道壁厚23mm，回水管道壁厚16mm;无补偿电预热安装供水管道壁厚取18mm，回水管道壁厚16mm;则每米管道重量差别为170kg，每1km管道增加投资约85万（按L360价格5000元/吨计算）。
电预热工程一般为1km为40万元，因此电预热安装每km投资低45万元。
4预热工序
a. 热网按电预热和自然补偿结合方式敷设，设计安装温度为10℃，预热温度为60℃，预处理管段的伸长量为0.012×L×（60-预热管段初始应力为零时管道温度）（mm），L为预热段长度，一般为500-1000m，不宜大于1200m。
b. 管沟内不得有任何可能阻碍管道自由伸长的土石方或结构。在弯头处不进行覆土（距离弯头3m），以便弯头在受热后可以运动。
c. 供水管和回水管之间除了为了形成回路在钢管末端安装的专用的电缆外，不能在其它地方形成短路。
d. 按照设计要求用中粗砂回填管沟，回填高度不得超过管道外径的3/4处。
e. 若预热段内有混凝土固定墩，如果在预热施工之前制作固定墩，电预热施工应在预热管线上的固定墩混凝土固化达到设计强度以后进行;如果在预热施工以后制作固定墩，应在预热管段收缩稳定以后进行施工。为避免形成短路，供、回水管道固定墩之间不应有钢连接。
f. 如管道上有三通，则三通须在预热前施工。预热后尽量不要在主管上开三通，如果需要开口，须制定加强方案。
g. 采用分段预热时，预热管段之间应留有2～3米的空间，在下一管段进行预热时，上一管段的回缩量宜一并补足。总伸长量应满足要求。预热段之间及预热段与非预热段之间预热完成后采用短管连接。
h. 预热段全部回填夯实前，应维持预热温度。
i. 电预热施工按一般施工程序开挖管沟，焊接管道并做完接头保温工作→按照设计要求用砂回填管沟，回填高度不得超过管道外径的3/4处→用电缆连接钢管管端和设备→开机预热，同时记录相关数据→达到目标温度和热伸长量后，进行回填和夯实。
5预热计算
根据管道设计计算结果，供水管道D1420×18，回水管道D1420×16，管道预热计算。
由于预热时管道覆土3/4，按直埋计算热力管道平均热损失约20kW，管道从5℃加热至预热温度60℃时间约32h。总计预热消耗电能约1.1万kW·h。
预热后的最大过渡段长度参照《城镇供热直埋热水管道技术规程》（CJJ81-2013）计算，预热后管道最大过渡段长度为340.6m，预热段最大轴向力为990kN。
预热工程允许的最大不预热长度为预热后管道最大过渡段长度340.6m，考虑活动端弯头等的阻力，建议最大不預热长度取300米。
6预热对埋地热力管道的影响
a. 预热降低项目投资
由于大口径热力管道一般多为长输管道，供水温度高，局部屈曲对管道径厚比要求较高，如按冷安装敷设，管道壁厚较大，而预热安装可以降低对管道径厚比的要求。大口径热力管道电预热技术的应用，不管是相比采用厚壁管还是采用补偿器的形式，都降低了管道的整体投资。
b. 预热降低管道整体应力
预热降低了循环过程中的最大应力，冷安装时，管道最大轴向力为1391kN，当量应力372MPa;预热安装时，管道最大轴向力990kN，当量应力249MPa;管道应力降低124MPa，提高了管道系统的安全性和可靠性。
c. 降低了管道活动端的位移量
如某段管道整体长度360米，管道过渡段长度为180米，采用冷安装时管道活动端位移量为238.1mm，采用预热安装时管道活动端位移量为124.7mm。由于管道位移量的降低，因此弯头等活动段的也降低了支线设计的难度。
7电预热需要注意的问题
a） 在采用短管连接时，要保持管道恒温在设计预热温度，使管道不回缩，从而保证管道的设计伸长量。由于施工时的环境温度波动、现场的气象条件变化等因素的影响，对温度降速度、管道回缩的速度很难把握，这就给短管连接时的下料、短管与管道之间对口造成了困难。此外，如果管道温度降过大，则必须停止焊接，再次预热管道至设计预热温度，才能再次焊接。
b） 预热需要在管道完全回填之前进行，会增加管道施工时间。
c） 由于供水管道和回水管道采用不同壁厚时，供水管道壁厚大，电阻相对较低，因此回水加热温度高于供水加热管道。
d） 由于管道0应力状态对应温度为电预热实际等效温度，在常温状态下，管道实际承受拉应力，管道投运后，如新增支线等开口需要先采取加强措施，以避免形成局部应力集中，才能开口。
8结论
随着城市规模扩大，城市热网承担的热用户也日趋庞大，电预热技术在大口径直埋热水管道中应用会日趋增多。
电预热技术能够显著降低管道运行时压应力，在满足管道运行安全性和可靠性基础上降低管道整体投资。当然电预热技术在应用过程中也有需要注意的问题，如预热段之间的连接，管道后期开口等。
参考文献：
1. 皮特·兰德劳夫（著）、贺平、王钢（译）.区域供热手册[M].哈尔滨工程大学出版社，1998：58-65.
2. 城市建设研究院、北京市煤气热力工程设计院有限公司.CJJ/T81-2013城镇供热直埋热水管道技术规程 [S].北京：中国建筑工业出版社，2013.
关键词：电预热;直埋;热水管道;壁厚;局部屈曲
1背景
电预热技术应用于城镇供热管网中较高运行温度不超过140℃的热水预制直埋保温管道，是目前国际上较为先进的预制直埋保温管无补偿预应力安装方式。对于直埋热水供热管道，电预热安装方式属于无补偿安装方式的一种，与无补偿冷安装方式相比，不仅可以减小工作钢管壁厚、降低工程造价，还可以有效地减小管道运行时的热应力。因此，电预热安装方式对于大管径热水管道具有明显优势，近年来电预热安装方式在大管径直埋热水供热管道的安装中得到了广泛的应用。
2工作原理
电预热技术的原理是将工作钢管作为电阻，通过电缆将工作钢管与电预热设备连接形成回路，将钢管温度加热到设计预热温度，使管道产生一定拉应力（产生轴向位移），回填后，在保温管道工作管、保温层、外护管与土壤摩擦力作用下使管道保持此拉应力。当保温管道运行时，随着介质温度的升高，原拉应力逐渐减小，当介质温度达到电预热安装温度时，保温管道拉应力为零，介质温度再升高，管道产生压应力，介质温度达到设计温度时管道产生的压应力小于管道许用应力或者满足管道局部屈曲安全要求，从而保证管道的安全性。
3工程条件
以某供热工程为例，设计供热能力1200MW， DN1400管道沟槽长度23km，设计压力2.5MPa，设计供回水温度130/60℃。本工程的管道管材采用L360管线钢，其屈服强度360MPa，抗拉强度为460MPa，许用应力为153MPa。
根据《长输供热热水管网技术标准》（征求意见稿）提供的局部稳定性验算公式，对于设计压力2.5MPa、设计温度130℃的DN1400管道，在预热安装温度60℃，供水管道壁厚δ为18mm时，管道外径1420mm，管道半径r为710mm，长直管段的压应力为σ，E为钢材的弹性模量，α为钢材的线膨胀系数。
r/δ为39.4>28.7，则σ=αE（t1-t0）=120MPa≤〔σ〕=9250δ/r+11.7=246MPa，满足局部稳定性验算要求。
如采用冷安装，σ=αE（t1-t0）=288MPa≤〔σ〕=9250δ/r+11.7。
δ=21.2mm，实际圆整管道壁厚为23mm（r/δ=30.9>28.7）。
本工程DN1400管道，无补偿冷安装供水管道壁厚23mm，回水管道壁厚16mm;无补偿电预热安装供水管道壁厚取18mm，回水管道壁厚16mm;则每米管道重量差别为170kg，每1km管道增加投资约85万（按L360价格5000元/吨计算）。
电预热工程一般为1km为40万元，因此电预热安装每km投资低45万元。
4预热工序
a. 热网按电预热和自然补偿结合方式敷设，设计安装温度为10℃，预热温度为60℃，预处理管段的伸长量为0.012×L×（60-预热管段初始应力为零时管道温度）（mm），L为预热段长度，一般为500-1000m，不宜大于1200m。
b. 管沟内不得有任何可能阻碍管道自由伸长的土石方或结构。在弯头处不进行覆土（距离弯头3m），以便弯头在受热后可以运动。
c. 供水管和回水管之间除了为了形成回路在钢管末端安装的专用的电缆外，不能在其它地方形成短路。
d. 按照设计要求用中粗砂回填管沟，回填高度不得超过管道外径的3/4处。
e. 若预热段内有混凝土固定墩，如果在预热施工之前制作固定墩，电预热施工应在预热管线上的固定墩混凝土固化达到设计强度以后进行;如果在预热施工以后制作固定墩，应在预热管段收缩稳定以后进行施工。为避免形成短路，供、回水管道固定墩之间不应有钢连接。
f. 如管道上有三通，则三通须在预热前施工。预热后尽量不要在主管上开三通，如果需要开口，须制定加强方案。
g. 采用分段预热时，预热管段之间应留有2～3米的空间，在下一管段进行预热时，上一管段的回缩量宜一并补足。总伸长量应满足要求。预热段之间及预热段与非预热段之间预热完成后采用短管连接。
h. 预热段全部回填夯实前，应维持预热温度。
i. 电预热施工按一般施工程序开挖管沟，焊接管道并做完接头保温工作→按照设计要求用砂回填管沟，回填高度不得超过管道外径的3/4处→用电缆连接钢管管端和设备→开机预热，同时记录相关数据→达到目标温度和热伸长量后，进行回填和夯实。
5预热计算
根据管道设计计算结果，供水管道D1420×18，回水管道D1420×16，管道预热计算。
由于预热时管道覆土3/4，按直埋计算热力管道平均热损失约20kW，管道从5℃加热至预热温度60℃时间约32h。总计预热消耗电能约1.1万kW·h。
预热后的最大过渡段长度参照《城镇供热直埋热水管道技术规程》（CJJ81-2013）计算，预热后管道最大过渡段长度为340.6m，预热段最大轴向力为990kN。
预热工程允许的最大不预热长度为预热后管道最大过渡段长度340.6m，考虑活动端弯头等的阻力，建议最大不預热长度取300米。
6预热对埋地热力管道的影响
a. 预热降低项目投资
由于大口径热力管道一般多为长输管道，供水温度高，局部屈曲对管道径厚比要求较高，如按冷安装敷设，管道壁厚较大，而预热安装可以降低对管道径厚比的要求。大口径热力管道电预热技术的应用，不管是相比采用厚壁管还是采用补偿器的形式，都降低了管道的整体投资。
b. 预热降低管道整体应力
预热降低了循环过程中的最大应力，冷安装时，管道最大轴向力为1391kN，当量应力372MPa;预热安装时，管道最大轴向力990kN，当量应力249MPa;管道应力降低124MPa，提高了管道系统的安全性和可靠性。
c. 降低了管道活动端的位移量
如某段管道整体长度360米，管道过渡段长度为180米，采用冷安装时管道活动端位移量为238.1mm，采用预热安装时管道活动端位移量为124.7mm。由于管道位移量的降低，因此弯头等活动段的也降低了支线设计的难度。
7电预热需要注意的问题
a） 在采用短管连接时，要保持管道恒温在设计预热温度，使管道不回缩，从而保证管道的设计伸长量。由于施工时的环境温度波动、现场的气象条件变化等因素的影响，对温度降速度、管道回缩的速度很难把握，这就给短管连接时的下料、短管与管道之间对口造成了困难。此外，如果管道温度降过大，则必须停止焊接，再次预热管道至设计预热温度，才能再次焊接。
b） 预热需要在管道完全回填之前进行，会增加管道施工时间。
c） 由于供水管道和回水管道采用不同壁厚时，供水管道壁厚大，电阻相对较低，因此回水加热温度高于供水加热管道。
d） 由于管道0应力状态对应温度为电预热实际等效温度，在常温状态下，管道实际承受拉应力，管道投运后，如新增支线等开口需要先采取加强措施，以避免形成局部应力集中，才能开口。
8结论
随着城市规模扩大，城市热网承担的热用户也日趋庞大，电预热技术在大口径直埋热水管道中应用会日趋增多。
电预热技术能够显著降低管道运行时压应力，在满足管道运行安全性和可靠性基础上降低管道整体投资。当然电预热技术在应用过程中也有需要注意的问题，如预热段之间的连接，管道后期开口等。
参考文献：
1. 皮特·兰德劳夫（著）、贺平、王钢（译）.区域供热手册[M].哈尔滨工程大学出版社，1998：58-65.
2. 城市建设研究院、北京市煤气热力工程设计院有限公司.CJJ/T81-2013城镇供热直埋热水管道技术规程 [S].北京：中国建筑工业出版社，2013.