浅析供热管道安装中补偿器的材质与合理使用

 【摘要】近年来，城市集中供热的不断发展，波纹补偿器作为集中热网中的关键组件，其应用趋于广泛，但如果波纹管材质、参数选择不当，波纹补偿器在管网中布置、应用不合理，会引起整个管系的破坏，甚至酿成重大事故。本文从热力网设计中的波纹补偿器设置问题出发，结合多年的实践，进行简单分析。 

　　【关键词】供热管道；补偿器；材质；使用 　 

　　近年来，从金属软管中派生出一个新的产品——薄壁波纹补偿器。它的主要部件也是波纹管。它的主要部件也是波纹管。同金属软管一样，它也是现代大型管路系统中的一个重要组成部分。现今供热管网使用波纹补偿器非常普遍，其主要特点是结构紧凑、补偿量大、流动阻力小、零泄漏、省维修等，在热网中的应用越来越广泛。但也有其缺点：例如轴向型对固定支架产生压力推力较大，从而造价高；另外，其管壁较薄不能承受扭力、振动，安全性较差；一次性投资高、设计、施工安装要求高、达不到预期寿命等等缺点。鉴于波纹补偿器存在的上述特点，加之设计、施工人员对波纹补偿器的认识不够全面，因此导致施工与运行期间容易发生事故。分析事故原因，有属于波纹补偿器自身的制造质量或选材不当的问题，有属于施工安装问题，还有相当大的一部分属于设计布置问题。在设计方面发生问题，多属于不对波纹补偿器设计特点造成的计算失误和补偿管材质选择不合理造成的。 

　　1 波纹管的选材与参数 

　　人们可以用各种金属材料制作波纹管。对于用作补偿器的波纹管，尽管它与作金属软管本体的波纹管设计思想和工艺条件不同，但是，各国对其材料选用的观点还是比较一致的。 各国采用材料多以铬钼、铬镍不锈钢为主。由于这些材料具有较好的物理性能、化学性能和机械性能，又可满足一般工程的使用要求，所以，目前我们也大量采用铬钼、铬镍不锈钢材制作波纹管。小通径的波纹管常用薄壁无缝管材加工；大通径的波纹管常用薄壁板材拼焊成圆筒，然后再加工；多层结构形式大通径或中等通径的波纹管，其内、外层是薄壁无缝管或薄壁板材拼焊的圆筒，而它们之间的若干层是薄壁板材卷制的、有缝而不焊接的多层圆筒。采用某些料时，为了防止焊缝 近产生晶同腐蚀，可以进行焊后热处理，其规范是加热到1080~1150C，水淬。同时，该材料不宜在450~800C条件下使用。如果采用 材料制作波纹管，可在-196~+600C条件下长期使用而无需进行焊后热处理。 

　　波纹管参数确定的原则是以其使用条件不同而异。在给定内径的情况下，首先要考虑的是波纹管外径与内径之比C值。日本富士深沟型波纹管的C值最大为1。85，英国德丁（HYDROFLEX）深波波纹管的C值最大为1。84，我国仪器仪表工业总局规定：深波波纹管的C值在1。6~2。0之间；浅波波纹管的C值在1。6以下。这些都是对制作感测元件的波纹管而言的。既不可照搬，也不可挪用。对于用作通径为40~400毫米的用作补偿器的波纹管来讲，C值只能控制在1。12~1。42范围之间。一般来讲，C值的确定，应以内径d值增大而增大，因为波纹管承载能力随d值的增大和C值的增大而减小。所以，为了获得所需要的承载能力和其它相关的性能，当d值班增大到一定值时，C值应随着d值的增大而减小。外径是导出参数，在d值和C值确定之后算出。波距是指相邻两个波纹之间的距离。波距大小随着波纹管外径的增加而增加，它所占波纹管外径的百分比则随着外径的增加而减少。波距T的具体范围必须控制在2/3~1倍的波纹高度之间。 

　　2 波纹补偿器受力计算 

　　波纹管是构成波纹补偿器最主要元件。波纹管主要参数包括：补偿量、弹性刚度，耐压强度、稳定性、疲劳强度等，一般设计热力管网要求波纹管是在满足强度、稳定性、和疲劳寿命前提下，补偿量越大越好刚度值越小越好。波纹管通过附加的拉杆、铰链等附件与波纹管元件相互组合即可以组成各种功能的补偿器，通过不同的波纹补偿器组合方式又可以构成各种形式的补偿管系以完成热力管网补偿需要。波纹补偿器组合分为轴向补偿器、角向补偿器，复式拉杆补偿器管系，采用角向与复式拉杆补偿器更接近自然补偿管系受力形式，可不用考虑内压推力，采用轴向补偿器因承受较大内压力，补偿量大。安装的同心精度要求高，发生问题也较多。下面重点对采用轴向补偿器热网系统谈一些体验。 

　　2.1 补偿器支架受力基本原则：轴向波纹管补偿器受力支架分为主固定支架、次固定支架、导向支架。. 

　　2.2 固定支架推力计算：主固定支架水平推力由三种力的合力组成： 

　　2.2.1 由于工作压力引起的内压推力F=P*A；其中P为工作压力，A为波纹管有效截面积。内压推力与工作压力、有效截面积成正比，一般来说，波纹管补偿器的内压推力都较大。 

　　2.2.2 波纹管刚度产生的弹性力 

　　PA=K*f*L其中K为波纹管刚度，L为管道实际伸长量，f为系数，预拉伸时为0.5否则为1。 

　　2.2.3 固定支架间滑动摩擦反力qμl1其中q为管道重量，μ为摩擦系数l1为管道自由端至固定端的距离。主固定支架水平推力= 内压推力+ 摩擦反力+ 弹性力如果不同心还将计入因偏心造成对固定支架的弯距和侧向推力。主固定支架水平推力巨大，管径大的可达上百吨，土建布置困难，需进行全面结构核算，属于重载支架。次固定支架，受力与主固定支架相同，但内压推力平衡抵销，总推力较小，与主固定支架不是一个数量级，属于中间减载支架。计算固定点推力时，应分别计算固定点各方向的受力，然后再合成。固定点两侧的方向相同时，采用各个力的矢量和作为固定点推力。两个力方向相反时，用绝对值大的力减去绝对值小的力的0.7倍，作为固定点的推力。导向支架是控制沿管道或补偿器运动方向运动,确保管膨胀作用于补偿器上并保证管道不发生失稳。一般补偿器厂家的样本，不仅对产品规格、结构、参数情况做详细说明、而且有应用实例,较祥尽，可以做为设计依据。 

　　2.3 固定支架微小位移中对波纹补偿器的影响：一种微小热位移的可动设计形式是管道与支架连接处不是焊死而是紧靠限位挡板在根部焊接固定。在波纹补偿器管系中，如果安装不当会对波纹补偿器的运行影响很大。我们的经验是，对国标图集R403挡板式固定支架已调整为0.7新N403，进行焊接，效果很好。 

　　3 波纹补偿器设置位置 

　　波纹补偿器的位置，通常做法是，轴向型波纹补偿器均布置在紧靠固定支架旁，然后紧接两个导向支架，距离分别4D、14D，主要目的以防止其轴向失稳。实际情况是，解决补偿器轴向失稳问题除与其布置、设置位置有关外，更主要的是取决于补偿器自身的性能与质量，布置在固定支架侧的补偿器性能与质量要求应更高一些，管线分段距离一般应小一些，进行选型时一定要选自导向性好，抗失稳能力强的补偿器，设计布置按照基本原则，根据工程的实际情况，可以灵活处理，实际情况也证明，无论是架空还是直埋地沟，只要做好导向结构控制，波纹补偿器可以设置在两固定支架的任一位置。 

　　3.1 管道水击对波纹补偿器布置要求。蒸汽管道上的水击对波纹补偿器影响极大。防止水击的措施：除合理根据热负荷确定相应管径，有针对性设置好疏水点，有效及时进行疏水，在补偿器的设计布置方式上，建议将波纹补偿器远离弯头及上翻处固定支架，改在另一侧固定支架侧，这样即使管道中存在少量积水，但作用位置远离补偿器，可大大减少水击的对波纹补偿器造成的破坏。 

　　3.2 对蒸汽直埋管道“驻点”设计方式的处理经验。蒸汽直埋热网系统有时为减少固定支架的数量，往往布置成“驻点”形式：直埋管道两个规格型号相同的相邻补偿器之间管线中点不设固定点，当管道受热均匀膨胀时，在两个补偿器中间必然形成一个力的相对平衡点，即驻点。理论上存在，实际应用中，需对补偿器本身作较大改进，否则的话，按照EJMA协会要求，每两个固定支架之间设置一座补偿器较为合适。 

　　3.3 设计中预先考虑水压试验方案。实用的办法是设计中预先考虑水压试验或吹扫方案，打压的分段点的位置最好由业主方、设计方、监理、施工单位共同确定，由设计单位负责技术交底，业主方根据设计单位意见组织实施。 

　　3.4 设计中考虑延缓补偿器寿命、预防腐蚀。在城市热网中使用的补偿器，理论计算寿命大约为六千~一 万次，实际许用寿命应大于400次，一个连续运行的热网，如果每年起动约20次左右，其许用正常寿命应该在20年以上。影响波纹补偿器寿命的因素有很多，主要的一是热网破坏失稳，二是腐蚀。实际应用中却不是这样，用不了三五年即被换掉，设计中有一条名言“腐蚀始于图纸”，这要求在管道设计时，固定支架的位置要合理，导向支架距离要适当，导向支架要有防止补偿器失稳的措施；另外设计布置时也应考虑预防腐蚀问题，这方面往往被忽略。实际上，在布置补偿器时最好不并列布置，加大回水管补偿器至固定支架的间距，敷设时最好采用直埋方式不设检查井，做好标记，如必须设在井内，必须做好防水保温，防止污水、雨雪水进入，减少腐蚀条件，阻断形成原电池腐蚀效应的回路。 

　　3.5 施工安装轴向波纹补偿器的经验。施工中为保证管系在安装补偿器处的同轴度公差处于最小，建议在安装补偿器前先将管段敷设好，然后在准备安装补偿器处将管子割下一段（其长度等于补偿器的自由长度加预拉伸量），再将补偿器装上去焊接，采用割管法安装的办法。虽然造成少量管道浪费，却能保证管道的同轴度。 

　　4 结束语： 

　　波纹补偿器作为热网管道的关键组件，在热网的使用量也越来越大，由于执行标准不同、材质选择不同、具体使用环境不同。建议广大工程设计人员应加强调查研究，互相交流学习，总结经验，加强协作，吸取教训，在进行管网设计、补偿器选型计算和布置、施工、安装等方面，正确运用，做到管网安全、经济、合理，杜绝事故产生。 

　　参考文献： 

　　[1]采暖通风与空气调节设计规范 

　　[2]民用建筑热工设计规范 

　　[3]《实用供热空调设计手册全国民用建筑工程设计技术措施》陆耀 

　　[4]GB/T 12777-2008 金属波纹管膨胀节通用技术条件 

　　[5]JG 225-2007标准名称:预应力混凝土用金属波纹管