补偿器在管网布置中的要点

补偿器在管网布置中的要点

江苏永力管道有限公司潘海山

简介：近年来，随着我国城市集中供热的不断发展，补偿器作为关键组件在热力管网中的应用也越来越广泛，但假如补偿器在管网中应用布置不当，会引起整个管系的破坏，甚至酿成恶性事故。本文正是力从于补偿器在热力管网中的设计布置问题并结合多年的实践经验总结出的几点体会，供相关人员参考。关键字：补偿器应用问题合理布置

前言：

补偿器以其结构紧凑、补偿量大、流动阻力小、零泄漏、不用维修等诸多优点在热网中的应用也越来越广泛。但它也有不易解决的缺点：例如轴向型补偿器对固定支架产生压力推力，造成固定支架推力大，从而造价高；另外补偿器管壁较薄不能承受扭力、振动，安全性差；设备投资高、设计要求严、施工安装精度高、往往达不到预期寿命等一系列缺点。鉴于补偿器存在的这些缺点，又由于许多设计、施工人员对补偿器的熟悉还不够全面，因此导致施工与运行期间轻易发生事故。分析事故原因，有的事故属于补偿器自身的制造质量或选材不当的问题，有的属于施工问题，更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，多数属于不明白波纹补偿器管道设计特点造成计算失误和补偿管系选定不合理。

补偿器主要性能包括：补偿量、弹性刚度，耐压强度、稳定性、疲惫强度等，一般设计热力管网要求是在满足强度、稳定性、和疲惫寿命前提下，补偿量越大越好刚度值越小越好。补偿器通过附加的拉杆、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。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，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。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管系谈一些体会和改进意见。

补偿器支架受力基本原则：

轴向补偿器受力支架分为主固定支架、次固定支架、导向支架。

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：

由于工作压力引起的内压推力F＝PA：

其中P为工作压力，A有效截面积。内压推力由有效截面积及工作压力所决定，内压推力与工作压力、有效截面积成正比，一般来说，补偿器的内压推力都较大。

补偿器刚度产生的弹性力PA＝KfL

其中为K补偿器刚度，L为管道实际伸长量，f为系数，预拉伸时为0.5，否则为1。

固定支架间滑动摩擦反力qμl

其中q为管道重量，μ为摩擦系数，l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

假如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，大管径可达上百吨，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，应分别计算固定点每侧的受力，然后再合成。固定点两侧的方向相同 时，采用两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，确保管段膨胀作用于补偿器上并保证管道 不发生失稳.

一般补偿器厂家样本不仅对产品规格“结构“参数情况做具体说明而且有应用实例推力计算 “通用安装要求，较为祥尽.可以做为设计依据.

固定支架微小位移中对补偿器的影响：

不少管系甚至直埋管系均布置成固定支架有微小热位移的可动设计，在自然补偿管系中， 整个管系都参与补偿变形，管道变形较为均匀，这种布置方式使管系整体性好，可靠性高，并 且可以减少应力集中。在补偿器管系中情况则大为不同，假如处理不当对补偿器的安全影响很 大。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。相国标图集 403.022-02 挡板式固定支架对于自然补偿管系是否焊接现在争论较大，另 外蒸汽直埋管道现多采用钢套钢内固定方式，这种结构方式是为减少热桥的传热，固定环在内 外环板之间增加橡胶板等隔热材料，内外环板通常不焊接，可以自由活动，当固定支架受较大 力或水击振动会产生一定量位移，有时还发生纵向微量位移，对补偿器产生扭矩作用，这种位 移对补偿器有一定影响。

补偿器设置位置的探讨

按照通常做法，轴向型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 4Dg 、14Dg ，主要目的以防止其轴向失稳，蒸汽直埋管道靠保温材料及外套钢管进行支撑或 导向、热水直埋管主要靠与保温材料形成整体由土壤、沙层控制。但笔者认为，这种布置方式 出发点是好的，但在实际运用中受地形限制，架空管系支架过多，则布置困难；直埋管系地下 障碍物过多，可能有过多翻弯产生，要求补偿器只能布置在直管段，这种在固定支架侧设补偿 器的形式，可能会因管线位移造成补偿器每个波节吸收位移的工作能力传递不均，发挥的补偿 能力不充分。我们认为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，只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，灵活对待处理，实践情况证实，无论是架空还是直埋 地沟，只要做好导向结构控制，补偿器可以设置在两固定支架的任一位置。

蒸汽直埋管道一种设计方式存在的问题

蒸汽直埋管道管系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。理论上以该点为界管道向左右两个方向均匀膨胀， 一般认为，力的平衡点可能会因管道受力不均匀而发生少许偏移，一般按 20%余量进行考虑补 偿器设置。笔者认为，此种布置方式值得商榷。我公司有一业务单位建于 1992 年 φ630 蒸汽直 埋管道及采用此种布置方式，固定支架之间距离 80 米，设两只补偿器规格型号完全相同，均为 120㎜，于 2000 年进行对此段管道更换，拆解后发现一只补偿器已被压扁，压缩量 200mm ，另 一只不仅未起到补偿压缩作用，反而被拉长 50mm ，一个补偿器伸长对另一个补偿器造成过度 压缩从而使两个补偿器均发生破坏失效。造成这种情况的原因较为复杂：一是补偿器自身质量 偏差较大，虽型号规格相同但刚度值差距大无法自由压缩；二是受管材加工制作质量与安装质 量影响，无法自由伸缩，驻点”固定支架两侧管道受力不均，造成驻点偏移大，驻点”不固定， 使波纹补偿器无法承受，最终造成破坏。除非对补偿器自身作较大改进，保证补偿器均布限位