文／王彥秋、王修成、相克政、李強(qiáng) 華電青島熱力有限公司 山東青島 266000

1、背景

1.1 概述

隨著國(guó)家節(jié)能減排、碳中和國(guó)策的逐步落實(shí)，我國(guó)集中供熱事業(yè)發(fā)展迅猛。上世紀(jì)80年代以后、尤其到了2000年以后，隨著科技的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、節(jié)能減排國(guó)策的貫徹實(shí)施，我國(guó)集中供熱事業(yè)突飛猛進(jìn)。不僅嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的大城市，而且中小城市、林區(qū)、農(nóng)場(chǎng)也開始發(fā)展集中供熱；不僅“三北”地區(qū)，而且黃淮地區(qū)也發(fā)展了集中供熱；長(zhǎng)江流域等夏熱冬冷地區(qū)要求實(shí)施集中供熱的也呼聲高漲。截止2020年底全國(guó)集中供熱面積達(dá)約122.66 億m，全國(guó)管道長(zhǎng)度達(dá)507348 公里，城市集中供熱普及率大大提升，僅青島市市區(qū)內(nèi)集中供熱普及率就超過(guò)了95%。伴隨著集中供熱事業(yè)的蓬勃發(fā)展，先期建設(shè)的集中供熱管網(wǎng)也開始逐漸步入老舊管網(wǎng)行列。

1.2 供熱老舊管網(wǎng)的安全隱患

供熱老舊管網(wǎng)保溫失效、管道腐蝕減薄不僅引起沿途熱量損失陡增、損害附近管線和園林綠化，更是導(dǎo)致爆管危及行人、車輛安全的重大安全隱患，是供熱公司安全生產(chǎn)和節(jié)能降耗工作的難點(diǎn)，老舊管網(wǎng)改造已然成為供熱公司非供熱季檢修、技改工作的重點(diǎn)。

1.3 供熱老舊管網(wǎng)改造面臨的困難

供熱老舊管網(wǎng)的改造可謂困難重重。

一是地下空間有限，管位難尋。隨著城市的快速發(fā)展，道路地下空間資源越來(lái)越緊張，尤其是大中城市。當(dāng)初敷設(shè)供熱管線時(shí)，道路下只有自來(lái)水管、排水管，供電、通訊等電纜也不多，都符合當(dāng)時(shí)規(guī)劃的安全要求，而現(xiàn)在，燃?xì)夤艿?、供電電纜以及各種通訊線纜密密麻麻，根據(jù)最新的規(guī)劃安全要求，很多老舊管網(wǎng)的管位都不符合安全要求，因此，即使同管位、同管徑更換老舊管道都不能實(shí)施。

二是改造資金巨大。絕大多數(shù)供熱管道都位于主干道下，施工時(shí)要盡可能減小對(duì)交通的影響，白天基本不能施工，而晚上施工噪音又不能影響居民休息，因此，每天能施工的時(shí)間很短，晚上開挖溝槽，凌晨又要做好支護(hù)以不影響交通，導(dǎo)致施工費(fèi)用居高不下。

三是掘路涉及部門眾多，手續(xù)辦理十分困難。辦理掘路涉及規(guī)劃、城管、交警、園林甚至鐵路等部門，任何一個(gè)部門不同意都不能掘路，各部門間協(xié)調(diào)困難重重。老舊管網(wǎng)改造是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，申請(qǐng)費(fèi)用、設(shè)計(jì)、招標(biāo)采購(gòu)等等與辦理掘路手續(xù)之間要想?yún)f(xié)調(diào)好也不是一件容易的事。

1.4 創(chuàng)新改造思路，延長(zhǎng)供熱老舊管網(wǎng)的壽命

熱水供熱系統(tǒng)的供回水管道通常是同槽敷設(shè)，對(duì)管材、安裝工藝的要求都是相同的，在相同外部環(huán)境下，由于供水管道溫度、壓力遠(yuǎn)高于回水管道，供水管道的老化程度遠(yuǎn)高于回水管道，即回水管道的健康狀況要遠(yuǎn)好于供水管道，而老舊管網(wǎng)改造時(shí)都是將供回水管道同時(shí)更換。實(shí)際上，如果供熱管網(wǎng)水質(zhì)控制得較好，即使是運(yùn)行十幾年的回水管道，其管材質(zhì)量變化并不大，既然更新改造實(shí)施困難，我們何不換個(gè)改造思路，嘗試在故障較多的管段兩端將供回水管道交叉，把狀態(tài)較好的回水管道用作供水，把狀態(tài)較差但卻能滿足回水參數(shù)要求的供水管用作回水，開挖范圍小、費(fèi)用低，即可消除安全隱患也可挖掘老舊管道的潛力，延長(zhǎng)管網(wǎng)的壽命。本文介紹了成功實(shí)施該方案的真是案例。

2、改造前管道情況

2.1 管道布置情況

山東省青島市某段高溫水供熱管道始建于2005年，2007年投入使用，設(shè)計(jì)運(yùn)行供水壓力1.35MPa、溫度130℃，回水壓力0.6 MPa、溫度70℃，實(shí)際運(yùn)行供水壓力1.1MPa、溫度105℃，回水壓力0.4 MPa、溫度55℃。該管道管徑DN600，采用預(yù)熱無(wú)補(bǔ)償安裝工藝。改造前管道布置示意圖如下：

圖1 管道改造前簡(jiǎn)圖

圖中H1 點(diǎn)為熱源端，H1 點(diǎn)至A 點(diǎn)管道長(zhǎng)度約470m，H1 點(diǎn)至H5 點(diǎn)總長(zhǎng)約670m。

2.2 管道故障情況

2020-2021 采暖季期間在H1 點(diǎn)至A 點(diǎn)之間靠近A點(diǎn)附近，發(fā)現(xiàn)地表溫度明顯高于正常地表溫度，此前，在A 點(diǎn)附近還曾經(jīng)在一個(gè)采暖季泄漏2 次。

第一次泄漏是系統(tǒng)充水時(shí)供水管道一個(gè)焊口附近拉裂導(dǎo)致，第二次是供熱運(yùn)行中供水管道另一個(gè)焊口附近受到擠壓開裂。搶修處理過(guò)程中，均觀察到漏點(diǎn)焊口處保溫補(bǔ)口開裂，焊口兩側(cè)附近的聚氨酯保溫層已經(jīng)碳化，工作鋼管局部受到腐蝕，減薄呈蜂窩狀。

該段管道采用了預(yù)熱安裝工藝，管道充水時(shí)管道整體承受拉應(yīng)力，供熱溫度升高時(shí)，整體又承受壓應(yīng)力。管道正常的壁厚足以經(jīng)受住管道從充水到升溫過(guò)程中的應(yīng)力變化；但在焊口附近管道受到地下水侵蝕、減薄時(shí)，管道承受應(yīng)力的能力大幅降低，導(dǎo)致發(fā)生了充水時(shí)拉裂、升溫時(shí)壓裂的現(xiàn)象。

通過(guò)對(duì)管道多點(diǎn)局部挖探坑檢查，該管道從H1 點(diǎn)到A 點(diǎn)，部分供水管道的焊口保溫補(bǔ)口破損，地下水進(jìn)入供水管道，已經(jīng)開始對(duì)供水管道產(chǎn)生腐蝕，發(fā)生泄漏的是腐蝕最為嚴(yán)重的兩個(gè)焊口。而回水管道普遍保溫良好，保溫補(bǔ)口亦未發(fā)生破裂，工作鋼管未發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

2.3 管道泄漏的原因

相比而言，供水管道更容易發(fā)生腐蝕。供水管道工作壓力高，溫度變化幅度大、變化頻繁，在交變熱應(yīng)力的作用下，供水管道反復(fù)脹縮并使保溫補(bǔ)口同樣受力，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行后，保溫補(bǔ)口施工工藝不良處或使用材料的薄弱處出現(xiàn)開裂，如果地下水位較高則地下水從開裂處滲入保溫層并被加熱成蒸汽，局部形成溫差電池腐蝕。回水管道內(nèi)介質(zhì)的壓力低、溫度變化幅度遠(yuǎn)低于供水管道，上述腐蝕過(guò)程不易發(fā)生。事實(shí)上，絕大部分的供熱管道泄漏都發(fā)生在供水管上。

3、改造方案的確定

3.1 改造方案的初步設(shè)想

最初的想法是將該段管道全部更換，但該段管道靠近正在運(yùn)營(yíng)的高速鐵路，施工受到鐵路部門的嚴(yán)格限制；管道位于繁忙的交通主干道的人行道和綠化帶中，施工時(shí)需要中斷該道路的正常通行，審批手續(xù)復(fù)雜；施工時(shí)需要遷移綠化帶中的全部綠植，遷移費(fèi)用較大。種種原因使得直接全部更換該段管道的方案基本不可行。

如果按以前的思路，既然不能全部更換，只能哪里泄漏被動(dòng)的處理哪里，運(yùn)行安全及供熱質(zhì)量均得不到保障，居民反應(yīng)強(qiáng)烈。壓力就是動(dòng)力，在山窮水盡之下，公司技術(shù)管理人員突發(fā)奇想，能否把這段健康情況較好的回水管道供水管用，而情況較差的供水管道當(dāng)作回水管用，通過(guò)局部小的改造達(dá)到消除隱患提高運(yùn)行安全性的目的。

3.2 方案論證

方案主要聚焦兩點(diǎn)：一是原來(lái)的回水管道能否用在供水上，原來(lái)的供水管道能否用在回水上；二是如果回水管道能用在供水上，但畢竟也使用了十幾年了，其強(qiáng)度會(huì)受到一定的影響，因此需要改善這段供水管道的應(yīng)力分布，降低管道的整體應(yīng)力水平，提高改造后的安全性。

經(jīng)查閱竣工資料，該段管道設(shè)計(jì)時(shí)，供回水管道的材料要求、包括預(yù)熱溫度等施工工藝要求并無(wú)差別，回水管道用作供水，從管材質(zhì)量上看沒(méi)有問(wèn)題；除了前述已經(jīng)泄漏的兩個(gè)漏點(diǎn)外，供水管道腐蝕程度整體相對(duì)較輕，均未達(dá)到管道原壁厚的1/3，供水管道用作回水也能滿足要求。

要改善管道的應(yīng)力分布，應(yīng)降低供水管道的整體應(yīng)力水平，可將原預(yù)熱安裝工藝改成有補(bǔ)償設(shè)計(jì)，相應(yīng)增加補(bǔ)償器和固定點(diǎn)。

3.3 確定方案

經(jīng)與原設(shè)計(jì)單位溝通，最終確定了在A 點(diǎn)供回水管道上增加固定墩，H1 點(diǎn)至A 點(diǎn)之間的原回水管道上增加3個(gè)供水補(bǔ)償器，H1 點(diǎn)處熱源側(cè)供水管與H1 點(diǎn)后原回水管對(duì)接，H1 點(diǎn)處熱源側(cè)回水管與H1 點(diǎn)后原供水管對(duì)接，在A 點(diǎn)處再反向交叉接到其后相應(yīng)的供回水管上，即熱源來(lái)的高溫、高壓供水在H1 點(diǎn)后進(jìn)入原回水管道，在A 點(diǎn)后再進(jìn)入原供水管道，用戶側(cè)來(lái)的低溫、低壓回水在在A點(diǎn)后進(jìn)入原供水管道，在H1 點(diǎn)后再進(jìn)入原回水管道。

為提高改造后供水管的抗沖擊能力，供水管兩端的交叉管采用溝槽底部水平布置，回水管兩端的交叉管采用高起跨越供水管的布置。

3.4 方案的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)

該方案的優(yōu)點(diǎn)是：施工范圍小，工程量少，施工范圍僅在5 個(gè)點(diǎn)，而不是全線開挖，施工時(shí)間大大縮短，對(duì)附近鐵路、管線和交通影響較小，能夠取得這些管理單位的理解，協(xié)調(diào)起來(lái)就容易得多；綠植遷移量、破壞量及溝槽支護(hù)作業(yè)量都大幅度減少，改造費(fèi)用大幅降低，方案可實(shí)施性大大提高。

由于回水壓力、溫度比較低，原供水管道腐蝕減薄速度將會(huì)大幅降低。退一步講，如果原供水管道仍有其它腐蝕較為嚴(yán)重、可能造成泄漏的部位，改做回水管道后，即便運(yùn)行中發(fā)生泄漏，因壓力、水溫較低不會(huì)對(duì)附近行人、車輛造成大的傷害，對(duì)綠植的影響也較小，其搶修難度相對(duì)供水管要小得多，基本可以不停運(yùn)搶修。

該方案的缺點(diǎn)是：沒(méi)有徹底解決原供水管道的腐蝕減薄問(wèn)題。

改造方案示意圖如下：

圖2 管道改造后簡(jiǎn)圖（藍(lán)色為改造部分）

圖3 管道供回水交叉立面布置簡(jiǎn)圖

圖4 管道交叉平面布置簡(jiǎn)圖