淺析補(bǔ)償器的應(yīng)用設(shè)置

暴利超

北京信誠(chéng)百年工程技術(shù)有限公司，中國(guó)·北京 100010

1 引言

無(wú)論是供暖管道，還是供冷管道。只要有溫度變化引起的管道長(zhǎng)度和應(yīng)力變化，就應(yīng)該進(jìn)行補(bǔ)償。只是相對(duì)于供冷管道，供熱管道的溫差大，管道長(zhǎng)度和應(yīng)力變化更大。

暖通空調(diào)的管道也同大多數(shù)物質(zhì)一樣，在溫度變化時(shí)會(huì)發(fā)生熱脹冷縮變形，這是一種自然的物理現(xiàn)象。如果管道變形受到約束，可能就會(huì)破壞管道的支架或者管道本身。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮管道的補(bǔ)償。

管道補(bǔ)償分自然補(bǔ)償和補(bǔ)償器補(bǔ)償。管道的溫度變形應(yīng)充分利用管道的轉(zhuǎn)角管段進(jìn)行自然補(bǔ)償，當(dāng)管道利用自然補(bǔ)償不能滿足要求時(shí)，應(yīng)設(shè)置補(bǔ)償器[1]。

補(bǔ)償器屬于一種補(bǔ)償元件，利用其工作主體波紋管的有效伸縮變形，以吸收管線、導(dǎo)管、容器等由熱脹冷縮等原因而產(chǎn)生的尺寸變化，或補(bǔ)償管線、導(dǎo)管、容器等的軸向、橫向和角向位移，也可用于降噪減振，在現(xiàn)代工業(yè)中用途廣泛。供熱上，為了防止供熱管道升溫時(shí)，由于熱伸長(zhǎng)或溫度應(yīng)力而引起管道變形或破壞，需要在管道上設(shè)置補(bǔ)償器，以補(bǔ)償管道的熱伸長(zhǎng)，從而減小管壁的應(yīng)力和作用在閥件或支架結(jié)構(gòu)上的作用力。

2 補(bǔ)償器的工作原理

管道活動(dòng)端伸縮量應(yīng)按下式計(jì)算：

ΔL=α(t1-t2)L×1000

式中：ΔL——管段的熱伸長(zhǎng)量，mm；α——鋼材的線膨脹系數(shù)，m/(m·℃)；t1——管道工作循環(huán)最高溫度，℃；t2——管道安裝溫度或工作循環(huán)最低溫度，℃；L——設(shè)計(jì)布置的管段長(zhǎng)度，m。

管道在施工安裝時(shí)的溫度和投入使用以后的溫度不同。通常管道系統(tǒng)投入使用后在設(shè)計(jì)工況水溫下工作，也有些空調(diào)系統(tǒng)的管道在冬季和夏季設(shè)計(jì)工況的使用溫度是不同的。在夏季和在冬季管道施工安裝時(shí)的環(huán)境溫度也不相同，所以管道從施工安裝到系統(tǒng)投入使用，其受溫度變化影響的變形量也是變化的。其最大變形量對(duì)應(yīng)的變化溫差應(yīng)該是從施工安裝到管道系統(tǒng)投入使用過(guò)程中最高溫度與最低溫度之差。由于我們并不能事先準(zhǔn)確知道施工安裝的時(shí)間，它可能是工程所在地的最高溫度，也可能是最低溫度[2]。

3 補(bǔ)償器的主要類型

3.1 套筒式補(bǔ)償器

套筒補(bǔ)償器是城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)常用的補(bǔ)償器，它的優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償能力大（一般可達(dá)250～400mm），占地面積小，流體阻力小，對(duì)固定支架的作用力小，安裝方便，造價(jià)低。缺點(diǎn)是工作壓力高時(shí)容易漏水或漏氣，維修工作量大，需要經(jīng)常檢修、更換填料，適用于工作壓力1.6MPa以下的直線管段，且需要設(shè)固定支架。

3.2 波紋管補(bǔ)償器

占地面積小、流動(dòng)阻力小、配管簡(jiǎn)單、安裝方便、維修管理方便。缺點(diǎn)是造價(jià)較高。管道上還應(yīng)安裝防止波紋管失穩(wěn)的導(dǎo)向支座。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮安裝時(shí)的冷緊，冷緊系數(shù)一般取0.5[3]。

3.3 方形補(bǔ)償器

制造方便、工作可靠、不用專門維修、軸向推力較小。缺點(diǎn)是介質(zhì)流動(dòng)阻力大、占地面積大、不方便布置。

3.4 球型補(bǔ)償器

補(bǔ)償能力大（有時(shí)補(bǔ)償管段達(dá)300～500m），能做空間變形，占地面積小，安裝方便，造價(jià)低，密封性能良好，使用壽命較長(zhǎng)。為了降低管道對(duì)固定支座的推力，宜采取降低管道與支架摩擦力的措施。

各種補(bǔ)償器的尺寸和流體阻力差別很大，選用管道補(bǔ)償器時(shí)，應(yīng)根據(jù)敷設(shè)條件采用維修工作量小、工作可靠和價(jià)格較低的補(bǔ)償器。

4 補(bǔ)償器的規(guī)格參數(shù)

①公稱壓力：補(bǔ)償器的公稱壓力應(yīng)高于系統(tǒng)最大工作壓力。當(dāng)介質(zhì)溫度過(guò)高時(shí)，補(bǔ)償器的承壓能力會(huì)有所降低。

②公稱通徑：公稱通徑或公稱直徑就是指管道的直徑。補(bǔ)償器的外徑與補(bǔ)償器形式、連接方式、限位拉桿有關(guān)。外徑有可能比公稱通徑大很多，在確定管道位置和管道間距時(shí)必須考慮。

③耐疲勞能力：疲勞強(qiáng)度是指材料在無(wú)限多次交變載荷作用而不會(huì)產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力，稱為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。與彈簧特性類似，通常根據(jù)供冷或供熱季節(jié)計(jì)算。

④補(bǔ)償量：補(bǔ)償器的熱伸長(zhǎng)量應(yīng)大于設(shè)計(jì)計(jì)算量。

⑤補(bǔ)償量修正：當(dāng)變形次數(shù)大于耐疲勞能力時(shí)，補(bǔ)償量會(huì)降低，需對(duì)補(bǔ)償器的補(bǔ)償量進(jìn)行修正。

⑥剛度與彈性模量：剛度是指材料或結(jié)構(gòu)在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力，是材料或結(jié)構(gòu)彈性變形難易程度的表征。材料的剛度通常用彈性模量來(lái)衡量。

⑦供貨狀態(tài)與安裝長(zhǎng)度：供貨狀態(tài)即為補(bǔ)償器的自然狀態(tài)，安裝長(zhǎng)度是指需為補(bǔ)償器做預(yù)變形，即預(yù)變形狀態(tài)。

5 波紋補(bǔ)償器的預(yù)變形

波紋補(bǔ)償器是最為常用的，設(shè)計(jì)中，常常利用補(bǔ)償器的預(yù)變形來(lái)減少管道的推力和增強(qiáng)管道的穩(wěn)定性，但不能增加補(bǔ)償量。

在選用標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償器時(shí)，對(duì)于吸收側(cè)向位移或角位移的金屬波紋補(bǔ)償器，如果有預(yù)變形的要求，就一定要進(jìn)行預(yù)變形，因?yàn)檫@類金屬波紋補(bǔ)償器的導(dǎo)流筒與管壁的間隙是按照額定補(bǔ)償量50%進(jìn)行設(shè)計(jì)的，這樣可以增大導(dǎo)流筒的內(nèi)徑，減少壓力損失。

對(duì)于補(bǔ)償量大的補(bǔ)償器，預(yù)變形后所減少的推力也越大，因此，最好進(jìn)行預(yù)變形。對(duì)于補(bǔ)償量小的設(shè)備，一般不進(jìn)行預(yù)變形。用于吸收振動(dòng)的補(bǔ)償器，不需要進(jìn)行預(yù)變形。

軸向補(bǔ)償器的預(yù)變形比較簡(jiǎn)單，可利用拉桿進(jìn)行預(yù)變形，用于補(bǔ)償熱膨脹的進(jìn)行預(yù)拉伸，用于補(bǔ)償冷收縮的則進(jìn)行預(yù)壓縮。吸收側(cè)向位移或角位移的補(bǔ)償器預(yù)變形要在配管中進(jìn)行。一般預(yù)變形量為補(bǔ)償量的50%，使冷態(tài)時(shí)和操作時(shí)的推力基本相同。

6 管道支架

支吊架是對(duì)管道上安裝支架的統(tǒng)稱。支架也可分為好多類，如固定支架、滑動(dòng)支架、導(dǎo)向支架等。

固定支架：管道軸向、橫向均受限制，不允許管道有位移。

滑動(dòng)支架：管道軸向、橫向均不受限制，即允許管道前后、左右有位移。

導(dǎo)向支架：滑動(dòng)支架的一種，一般只允許管道有軸向位移，而不允許有橫向位移。

7 受力計(jì)算分析

現(xiàn)以波紋管補(bǔ)償器為例，進(jìn)行管道的受力計(jì)算分析。管道主要受到以下三種力。

7.1 管道內(nèi)介質(zhì)熱位移產(chǎn)生的摩擦力

P1=μ×q×l（N）

式中：μ——摩擦系數(shù)；q——管道的單位長(zhǎng)度重量，N/m；l——固定支架所承擔(dān)的管道長(zhǎng)度，m。

例如，一根DN300 的水管，固定支架承擔(dān)10m 長(zhǎng)的管道重量為15000N，經(jīng)查μ=0.3（根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》），則P1=4500N，約合460kg。

7.2 波紋管補(bǔ)償器內(nèi)壓產(chǎn)生的軸線推力

P2=A×P×100（N）

式中：A——波紋管的有效截面面積，m2；P——管道內(nèi)的工作壓力，Pa。

例如，一根DN300 的水管，工作壓力為0.8MPa，管道有效截面積為0.085m2，則P2=68000N，約合7000kg。

7.3 波紋管補(bǔ)償器的彈性力

P3=Kx×ΔL（N）

式中：Kx——波紋管補(bǔ)償器的剛性強(qiáng)度，N/mm；ΔL——波紋管補(bǔ)償器的軸向位移量，mm。

Kx 與管徑和補(bǔ)償量有關(guān)，經(jīng)查補(bǔ)償器的樣品手冊(cè)，一根DN300 的水管，Kx=500N/m，補(bǔ)償量ΔL=64mm，則P3=32000N，約合3265kg。

經(jīng)上述計(jì)算分析可見(jiàn)，一個(gè)DN300 的管道產(chǎn)生的力是很可觀的，固定支架的受力也會(huì)很大，所以在設(shè)計(jì)中，對(duì)大管徑、高溫、高壓管道必須核算固定支架的推力。

立管固定支架是不受摩擦力的，但可能承受管道和介質(zhì)的重力。僅當(dāng)熱水管道確定不存在向上位移時(shí)，采用單向固定支架。當(dāng)不能確定管道位移方向，或存在向上和向下位移可能時(shí)，應(yīng)采用雙向立管固定支架。

若推力較大，需想法減小固定支架的受力，通常采用的方法包括：優(yōu)化管道設(shè)計(jì)路由，避免補(bǔ)償量過(guò)大，彈性反力過(guò)大；安裝前做好補(bǔ)償器的預(yù)變形，可以減少補(bǔ)充位移量，減小彈性力；采用內(nèi)外壓平衡式補(bǔ)償器，避免或減小內(nèi)壓推力；將補(bǔ)償器設(shè)置在管徑較小的一端[4]。

8 補(bǔ)償器和固定支架的設(shè)置位置

設(shè)計(jì)中，管道的路由是復(fù)制多變的，設(shè)計(jì)師應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況盡可能利用自然補(bǔ)償，若不得不采用補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)盡可能安裝在合適的位置，以最大程度發(fā)揮補(bǔ)償器的作用，如圖1所示。

圖1 補(bǔ)償器和支架安裝位置示意圖

①立管固定應(yīng)設(shè)置在結(jié)構(gòu)混凝土墻體與樓板結(jié)構(gòu)梁處，避免單純樓板受力。

②水平管道固定之間應(yīng)設(shè)置在結(jié)構(gòu)混凝土墻體、結(jié)構(gòu)柱子、結(jié)構(gòu)梁上，避免單純樓板受力。

③避免遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)受力體，在空中設(shè)置管道固定支架。

④補(bǔ)償器靠近一個(gè)固定支架，可以減少導(dǎo)向支架的數(shù)量，減少軸向失穩(wěn)的可能。

⑤補(bǔ)償器安裝在管徑小的一端，可以減少對(duì)固定支架的作用力。

⑥補(bǔ)償器的位移應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離支管連接處，以減小支管位移。

9 結(jié)語(yǔ)

論文分析了各類補(bǔ)償器的優(yōu)缺點(diǎn)，并通過(guò)對(duì)波紋補(bǔ)償器的受力計(jì)算分析，探討在暖通管道設(shè)計(jì)過(guò)程中怎么設(shè)置和在哪里設(shè)置補(bǔ)償器。