供热管道安装工艺优化与质量控制研究

一、引言

随着我国城镇化进程加快和集中供热面积持续扩大，供热管道作为城市基础设施的重要组成部分，其安装质量直接影响供热系统的安全性和能源利用效率。据统计，2022 年全国城市集中供热管道总长度已突破 48 万公里，但部分工程仍存在焊接缺陷、保温失效和应力腐蚀等问题，导致年均热损失率高达15%-20% ，严重制约了供热行业的可持续发展。

当前供热管道安装面临三大技术挑战：一是传统焊接工艺依赖人工操作，质量波动较大，X 射线检测显示部分项目焊缝一次合格率不足 90% ；二是管道热应力补偿设计缺乏针对性，尤其在复杂地质条件下易引发接口泄漏；三是全过程质量控制体系尚不完善，材料验收、施工监测等环节存在标准执行不严的现象。国内外学者已开展相关研究，如 Jones（2021）提出的智能焊接机器人技术，以及李等（2022）开发的管道应力监测系统，但在工艺优化与质量控制的系统集成方面仍存在研究空白。

二、 供热管道安装工艺优化

（一）焊接工艺优化

供热管道焊接工艺优化是确保管道系统密封性和耐久性的关键技术环节。本研究针对传统手工焊接质量不稳定的问题，系统开展了焊接工艺参数的优化实验。通过对比 ERW 高频电阻焊、埋弧焊和气体保护焊等不同焊接方法的微观组织与力学性能，确定最佳焊接工艺组合为：采用 ERW 焊接主管道（ Φ⩾500mm ），焊接速度控制在 1.2-1.5m/min ，配合 J427 焊条手工焊修补；对于分支管道（ Φ<300mm ）推荐使用 TIG 焊打底 +MAG 焊填充的组合工艺。通过引入自动化焊接设备，开发了基于机器视觉的焊缝跟踪系统，实现焊接路径偏差控制在 ±0.5mm 以内。在焊后处理方面，优化了热处理工艺曲线，将消氢处理温度由传统的 250^qC 调整至 300^cC ，保温时间延长至 4 小时，使焊接接头残余应力降低 35% 。针对 X80 及以上高钢级管道，创新采用窄间隙坡口设计，将焊材消耗量减少 20% ，同时通过严格控制层间温度（ ⩽150‰ ）和热输入量（ ⟨⩽25kJ/cm ），使焊缝冲击韧性提高 40% 。建立焊接工艺评定数据库，包含 32组典型工况参数，在实际工程应用中使焊接一次合格率从 92% 提升至 98.5% ，显著降低了返修成本和安全风险。[1]

（二）管道应力分析与补偿优化

供热管道应力分析与补偿优化是保障管网长期安全运行的核心技术环节。本研究基于 ANSYS 有限元分析平台，建立了包含土壤约束、温度荷载及内压作用的管道三维力学模型，通过非线性接触算法模拟管道 - 土体相互作用，精确计算热胀冷缩工况下的应力分布规律。研究发现，在 90/150℃温差条件下，传统 π 型补偿器布置间距（ ⩽100m ）会导致部分管段出现应力集中现象，局部峰值应力达 285MPa（接近 Q235B 钢材屈服强度）。为此提出分级补偿方案：高温段（ ）采用旋转补偿器，布置间距缩短至 60m ；中低温段优化为轴向波纹补偿器，并创新设计 " 预偏置安装 " 工艺（预拉伸量取热位移量的30% ），使最大应力值降低至 176MPa_o 。针对穿越软弱地基的特殊管段，开发了 " 弹簧支吊架 + 导向支架 " 组合系统，通过刚度矩阵分析确定最优支撑间距（ 12m ），有效控制管道挠度在 L/500 范围内。结合 BIM 技术构建了管道应力数字孪生系统，集成实时温度传感器数据动态校核模型，预警准确率达 92%_c 。在某区域供热管网改造工程中应用表明，优化后的补偿系统使管道接口泄漏率下降 83% ，预计可延长使用寿命 8-10 年。

三、供热管道质量控制体系

（一）材料质量控制

供热管道工程材料质量控制是确保管网系统长期安全稳定运行的首要环节，必须建立科学完善的全过程质量管控机制。在钢管原材料控制方面，严格执行 GB/T 3091-2015《低压流体输送用焊接钢管》和 GB/T 9711-2017《石油天然气工业管线输送系统用钢管》双重标准，对每批次进场钢管实施 " 三证核查"（质量证明书、合格证、检测报告）和 " 四性检测 "（化学成分、力学性能、几何尺寸、无损探伤）。采用直读光谱仪进行化学成分分析，重点控制碳当量Ceq⩽0.43% ，硫磷含量分别 ⩽0.025% 和 0.035% ；通过微机控制万能试验机测定拉伸性能，要求屈服强度 ⩾235MPa ，抗拉强度 375-500MPa，断后伸长率⩾23% ；使用数字超声波测厚仪进行全圆周壁厚检测，允许偏差不超过公称壁厚的 ±0.5mm ，椭圆度控制在公称直径的 1% 以内；对大口径厚壁管（ DN⩾600 ，Δt⩾12mm ）增加 100% 超声波探伤和 20%X 射线抽检，确保焊缝质量符合 SY/T4109-2013 标准Ⅱ级要求。

保温材料质量控制重点针对聚氨酯硬质泡沫塑料，依据 GB/T 29047-2012标准建立严格的检测流程：首先进行实验室小样检测，闭孔率 ⩾90% ，导热系数（ 23% ） ⩽0.033W/(m⋅K) ，抗压强度 ⩾0.3MPa ；其次开展现场工艺试验，在标准管段（ DN400×6mm×1m ）上实施喷涂发泡，固化后取样检测泡沫密度（ 60-80kg/m³ ）、吸水率（ ⩽10% ）及与钢管粘结强度（ ⩾0.2MPa ）。对高密度聚乙烯外护管，重点检测熔体流动速率（ 0.2-0.4g/10min ）、拉伸强度（ ⩾20MPa ）和断裂伸长率 (⩾600% ）。

（二）施工过程质量控制

供热管道施工过程质量控制是确保工程质量的关键环节，需要建立全过程、多维度的质量监控体系。在焊接质量控制方面，实施 " 焊前 - 焊中 - 焊后 " 三级管控：焊前严格检查坡口加工质量（角度 30^∘±5^∘ ，钝边 1-1.5mm ），预热温度控制在 100-150^∘C ；焊中采用数字化焊接参数监控系统，实时记录电流（120-150A）、电压（20-24V）和焊接速度（ 1.2-1.5m/min ）等关键参数，偏差超过 5% 自动报警；焊后执行 100% 外观检查和 20% RT/UT 无损检测，对固定口和返修口实施 100% 射线探伤，验收标准严格执行NB/T 47013-2015 Ⅱ级要求。

压力试验采用分级管控策略：强度试验压力为设计压力的 1.5 倍（稳压4h），严密性试验压力为设计压力的 1.25 倍（稳压 24h ），引入高精度压力传感器（精度 0.1% FS）和自动记录系统，实现压力曲线实时监控。针对补偿器安装，采用全站仪进行精确定位（轴线偏差 ⩽5mm ），预拉伸量误差控制在 ±3% 以内，并设置位移传感器监测运行状态。[2]

四、总结

本研究以提升供热管道工程全生命周期性能为目标，通过融合先进焊接技术、数值模拟方法和物联网监测手段，构建 " 工艺优化 - 质量控制 " 协同管理体系。研究成果对降低供热能耗（预计可实现节能 8%-12% ）、保障民生工程安全运行具有重要实践价值，同时为相关标准规范的修订提供理论支撑。

参考文献

[1] 李 国 强 . 供 热 管 道 焊 接 工 艺 及 质 量 控 制 技 术 研 究 [J]. 焊 接 技术 ,2021,50(8):45-49.

[2] 周明华 . 基于 BIM 的市政管道工程施工质量管理体系构建 [J]. 施工技术 ,2022,51(3): 112-116.