波形補償器在熱力管道中的設置＊

王海濤，王金墩

(濰坊市建設工程施工圖審查中心，山東濰坊奎文 261031)

波形補償器有著占用空間小、補償量大、布置靈活的優點，在熱力管網中應用日益廣泛，但是如何正確合理的設置，在設計人員中有著許多模糊認識，甚至因設置不當造成經濟損失或工程事故也時有發生。本文就波形補償器在常見管段上如何布置做一分析。

1 直埋管道波形補償器的布置

圖1 直埋管道固定墩的受力分析Fig.1 Force analysis of direct buried pipe fixed block

根據吸收熱位移的方式，波形補償器分為軸向型、橫向型和角向型三大類，其中軸向型應用最為普及，這也是本文討論的重點。在直埋熱力管道系統中，波形補償器的布置一方面要考慮減少分支點的位移，另一方面要考慮減少固定墩的受力，從而減少固定墩的尺寸。其受力計算如圖1示。

式 (1)、(2)中，F1、F2為固定支架承受的軸向推力，N;FA為波形補償器的彈性力，N;FA=Kwex，其中Kw為波紋管總剛度，N/mm，ex為設計伸縮量，mm;FB為波形補償器承受的軸向內壓力，N;FB=P0(AB－A)，其中P0為介質的工作壓力，MPa，AB為波形補償器有效面積，mm2，A為管道的內截面積，mm2;q為單位長度直埋敷設預制保溫管的外殼與土壤之間的摩擦力，N/m;q= πρgμ(H+Dc/2)Dc［1］，其中 ρ為土壤密度，kg/m3;μ為土壤摩擦系數;Dc為預制保溫管外殼的外徑，m;H為管頂覆土深度，m;L1、L2為管段長度，m。

軸向型補償器為保證其軸向伸縮，一般靠近固定支架設置［2］。故L1很小，可不考慮摩擦力qL1對F1的影響。

當固定支架及補償器確定后，FA、FB的大小與波形補償器的特性和管道的伸縮量有關，對固定支架受力影響較大的是保溫管外殼與土壤之間的摩擦力。如DN200的鋼管，保溫管外徑315 mm，在覆土1.3 m的情況下，qmax=10177 N/m，qmin=5089 N/m［3］。當管道長度L=50 m時，摩擦力為(5089～10177)×50=254.6～508.9 kN=26.0～51.9 t，僅此一項，固定墩的尺寸至少為3.5m×2.5 m ×2.3 m(H)［3］。

為減少固定支架受力，建議按圖2布置 (為簡化計算，管徑均為一致)。

圖2 直埋管道波形補償器布置方案Fig.2 Layout scheme of direct buried pipe corrugated compensator

因為L1、L4很小，可不考慮土壤摩擦力對F1、F3的影響。F2因兩側受力，方向相反，應計入折減系數，根據文獻 ［1］第5.1.2.2條規定取0.8，補償器的內壓不平衡力相互抵消［1］，不計入。仍以上述管道為例，如L2=L3=50 m，波形補償器有效面積400.9 cm2，總剛度45 N/mm，設計伸縮量5 cm，固定墩最大受力僅為 (45×50+10177×50)×0.2=102.2 kN=10.4 t。

在工程實踐中建議合理劃分管段，補償器采用對稱布置，如圖2所示，且L2=L3，則將大大減少固定墩的受力。

2 立管波形補償器的布置

隨著高層建筑的增多，空調或熱力管道的高度也越來越高，熱補償是必須考慮的內容［4］。

設有波形補償器的管段，在盲板、彎頭、閥門以至于管道變截面處都要考慮設置固定措施。補償器置于立管管段的上方或下方，設計人員多有爭議。其受力分析如圖3。

圖3 立管波形補償器布置Fig.3 Corrugated compensator layout of vertical pipe

固定支架布置的原則是:L1的長度要根據管段的自然補償及閥門的受力等因素綜合確定，短臂長度不小于2 m;L2+L3和L4的長度要考慮管段頂部分支接點由管道伸縮引起的最大位移，一般不大于20 mm［5］。當然如果立管沒有支管接出，L2+L3的長度由補償器允許補償量確定。以力向下為正，向上為負，列式如下。

冷態時:

式 (6)、 (7)中，G1、G2、G3、G4分別為 L1、L2、L3、L4管段的重量 (包括管段和介質自重以及保溫層的重量)，N;Fn為管道端部內壓推力，N，Fn=P0A;Ff為相鄰管道因截面積不同而產生的內壓力，N。

為簡化計算，不考慮滑動支架與管道之間的摩擦力及分支接管的約束作用，另外底部支架因管道自然補償產生的水平推力計算見有關資料。

熱態時:式 (8)中Fy為自然補償管段在垂直方向上的彈性力，N。為計算方便，現給出常見規格的焊接鋼管管段重量，見表1。

表1 單位長度焊接鋼管 (含介質)重量Table1 Weight of unit length welded steel pipe(including medium)

某工程如圖3所示，工作壓力0.7 MPa，試壓壓力1.0 MPa，選用壓力等級1.60 MPa的波形補償器，設計補償量2 cm，補償器參數為:DN 125軸向剛度46 N/mm，有效面積179.0 cm2;DN 150軸向剛度55 N/mm，有效面積259.0 cm2。按補償器置于上方或下方分別計算，結果見表2(計算從略)。

表2 固定支架F1、F2受力 (單位:N)Table2 Force undertaken of fixed bracket F1，F2(Unit:N)

可見補償器置于上方或下方對固定支架受力影響不大，但工程中一般將其置于上方，一方面可減小補償器的工作壓力，同時也可防止因為施工不規范而使其承受過大的管道重力。

在對固定支架受力計算時，應充分考慮管道系統在冷態或熱態時的最大工作壓力，其中冷態應以試壓標準下的壓力為準。從表2看出，固定支架冷態時受力較大，相應的生根計算也應以此為準。

固定支架的受力計算在設計中是一項重要內容，文獻 ［5］第2.4.11.7條規定:采用套筒補償器或波紋管補償器時，應設置導向支架;當管徑DN≥50 mm時，應進行固定支架的推力計算，驗算支架強度。

為減少固定支架的受力，選用低剛度的波形補償器以及對其進行合理的預拉伸和預壓縮，可以有效地減少補償器的彈性力［6］。如預處理正確，熱位移時可取0.5ex進行彈性力計算。或者選擇波形補償器時留有足夠的余量，不但可以延長其使用壽命，而且根據胡克定律，補償器的總剛度為Kw=K/n，其中K為一個波的剛度，N/mm，n為波數?？梢婋S著波數的增多，波紋管的總剛度隨之減小，從而減少其由熱位移所引起的彈性力。

3 結論

1.直埋管道建議合理劃分管段，補償器采用對稱布置，以減少固定支架受力。

2.對于熱水立管，波形補償器建議置于上方，以延長其使用壽命。

3.選用低剛度的波形補償器以及對其進行合理的預拉伸和預壓縮，或選型時留有足夠的余量，都可以有效地降低補償器的彈性力。

本文就波形補償器的布置原則作了簡單的介紹，亦未涉及復雜管段的受力分析，而且為節省篇幅，適當作了簡化。設計人員應就具體設計作具體分析，詳細計算，以保證熱力管網安全、經濟、合理運行。

［1］唐山市熱力總公司.CJJ/T 81—98 城鎮直埋供熱管道工程技術規程 ［S］.北京:中國建筑工業出版社，1998.

［2］賀平，孫剛.供熱工程［M］.北京:中國建筑工業出版社，1993:267.

［3］中國建筑標準設計研究院.05R410 熱水管道直埋敷設［S］.北京:中國計劃出版社，2009:11，76.

［4］中國建筑科學研究院.GB50736—2012 民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范 ［S］.北京:中國建筑工業出版社，2012:27，76.

［5］中國建筑標準設計研究院.全國民用建筑工程設計技術措施暖通空調·動力 ［S］.北京:中國計劃出版社，2009:24.

［6］壽煒煒，胡仰耆.空調水系統立管固定支座受力計算與波紋補償器選擇 ［J］.暖通空調，1999，29(2):55-57.