波形补偿器在热力管道中的设置＊

王海涛，王金墩

(潍坊市建设工程施工图审查中心，山东潍坊奎文 261031)

波形补偿器有着占用空间小、补偿量大、布置灵活的优点，在热力管网中应用日益广泛，但是如何正确合理的设置，在设计人员中有着许多模糊认识，甚至因设置不当造成经济损失或工程事故也时有发生。本文就波形补偿器在常见管段上如何布置做一分析。

1 直埋管道波形补偿器的布置

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

根据吸收热位移的方式，波形补偿器分为轴向型、横向型和角向型三大类，其中轴向型应用最为普及，这也是本文讨论的重点。在直埋热力管道系统中，波形补偿器的布置一方面要考虑减少分支点的位移，另一方面要考虑减少固定墩的受力，从而减少固定墩的尺寸。其受力计算如图1示。

式 (1)、(2)中，F1、F2为固定支架承受的轴向推力，N;FA为波形补偿器的弹性力，N;FA=Kwex，其中Kw为波纹管总刚度，N/mm，ex为设计伸缩量，mm;FB为波形补偿器承受的轴向内压力，N;FB=P0(AB－A)，其中P0为介质的工作压力，MPa，AB为波形补偿器有效面积，mm2，A为管道的内截面积，mm2;q为单位长度直埋敷设预制保温管的外壳与土壤之间的摩擦力，N/m;q= πρgμ(H+Dc/2)Dc［1］，其中 ρ为土壤密度，kg/m3;μ为土壤摩擦系数;Dc为预制保温管外壳的外径，m;H为管顶覆土深度，m;L1、L2为管段长度，m。

轴向型补偿器为保证其轴向伸缩，一般靠近固定支架设置［2］。故L1很小，可不考虑摩擦力qL1对F1的影响。

当固定支架及补偿器确定后，FA、FB的大小与波形补偿器的特性和管道的伸缩量有关，对固定支架受力影响较大的是保温管外壳与土壤之间的摩擦力。如DN200的钢管，保温管外径315 mm，在覆土1.3 m的情况下，qmax=10177 N/m，qmin=5089 N/m［3］。当管道长度L=50 m时，摩擦力为(5089～10177)×50=254.6～508.9 kN=26.0～51.9 t，仅此一项，固定墩的尺寸至少为3.5m×2.5 m ×2.3 m(H)［3］。

为减少固定支架受力，建议按图2布置 (为简化计算，管径均为一致)。

图2 直埋管道波形补偿器布置方案Fig.2 Layout scheme of direct buried pipe corrugated compensator

因为L1、L4很小，可不考虑土壤摩擦力对F1、F3的影响。F2因两侧受力，方向相反，应计入折减系数，根据文献 ［1］第5.1.2.2条规定取0.8，补偿器的内压不平衡力相互抵消［1］，不计入。仍以上述管道为例，如L2=L3=50 m，波形补偿器有效面积400.9 cm2，总刚度45 N/mm，设计伸缩量5 cm，固定墩最大受力仅为 (45×50+10177×50)×0.2=102.2 kN=10.4 t。

在工程实践中建议合理划分管段，补偿器采用对称布置，如图2所示，且L2=L3，则将大大减少固定墩的受力。

2 立管波形补偿器的布置

随着高层建筑的增多，空调或热力管道的高度也越来越高，热补偿是必须考虑的内容［4］。

设有波形补偿器的管段，在盲板、弯头、阀门以至于管道变截面处都要考虑设置固定措施。补偿器置于立管管段的上方或下方，设计人员多有争议。其受力分析如图3。

图3 立管波形补偿器布置Fig.3 Corrugated compensator layout of vertical pipe

固定支架布置的原则是:L1的长度要根据管段的自然补偿及阀门的受力等因素综合确定，短臂长度不小于2 m;L2+L3和L4的长度要考虑管段顶部分支接点由管道伸缩引起的最大位移，一般不大于20 mm［5］。当然如果立管没有支管接出，L2+L3的长度由补偿器允许补偿量确定。以力向下为正，向上为负，列式如下。

冷态时:

式 (6)、 (7)中，G1、G2、G3、G4分别为 L1、L2、L3、L4管段的重量 (包括管段和介质自重以及保温层的重量)，N;Fn为管道端部内压推力，N，Fn=P0A;Ff为相邻管道因截面积不同而产生的内压力，N。

为简化计算，不考虑滑动支架与管道之间的摩擦力及分支接管的约束作用，另外底部支架因管道自然补偿产生的水平推力计算见有关资料。

热态时:式 (8)中Fy为自然补偿管段在垂直方向上的弹性力，N。为计算方便，现给出常见规格的焊接钢管管段重量，见表1。

表1 单位长度焊接钢管 (含介质)重量Table1 Weight of unit length welded steel pipe(including medium)

某工程如图3所示，工作压力0.7 MPa，试压压力1.0 MPa，选用压力等级1.60 MPa的波形补偿器，设计补偿量2 cm，补偿器参数为:DN 125轴向刚度46 N/mm，有效面积179.0 cm2;DN 150轴向刚度55 N/mm，有效面积259.0 cm2。按补偿器置于上方或下方分别计算，结果见表2(计算从略)。

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

可见补偿器置于上方或下方对固定支架受力影响不大，但工程中一般将其置于上方，一方面可减小补偿器的工作压力，同时也可防止因为施工不规范而使其承受过大的管道重力。

在对固定支架受力计算时，应充分考虑管道系统在冷态或热态时的最大工作压力，其中冷态应以试压标准下的压力为准。从表2看出，固定支架冷态时受力较大，相应的生根计算也应以此为准。

固定支架的受力计算在设计中是一项重要内容，文献 ［5］第2.4.11.7条规定:采用套筒补偿器或波纹管补偿器时，应设置导向支架;当管径DN≥50 mm时，应进行固定支架的推力计算，验算支架强度。

为减少固定支架的受力，选用低刚度的波形补偿器以及对其进行合理的预拉伸和预压缩，可以有效地减少补偿器的弹性力［6］。如预处理正确，热位移时可取0.5ex进行弹性力计算。或者选择波形补偿器时留有足够的余量，不但可以延长其使用寿命，而且根据胡克定律，补偿器的总刚度为Kw=K/n，其中K为一个波的刚度，N/mm，n为波数。可见随着波数的增多，波纹管的总刚度随之减小，从而减少其由热位移所引起的弹性力。

3 结论

1.直埋管道建议合理划分管段，补偿器采用对称布置，以减少固定支架受力。

2.对于热水立管，波形补偿器建议置于上方，以延长其使用寿命。

3.选用低刚度的波形补偿器以及对其进行合理的预拉伸和预压缩，或选型时留有足够的余量，都可以有效地降低补偿器的弹性力。

本文就波形补偿器的布置原则作了简单的介绍，亦未涉及复杂管段的受力分析，而且为节省篇幅，适当作了简化。设计人员应就具体设计作具体分析，详细计算，以保证热力管网安全、经济、合理运行。

［1］唐山市热力总公司.CJJ/T 81—98 城镇直埋供热管道工程技术规程 ［S］.北京:中国建筑工业出版社，1998.

［2］贺平，孙刚.供热工程［M］.北京:中国建筑工业出版社，1993:267.

［3］中国建筑标准设计研究院.05R410 热水管道直埋敷设［S］.北京:中国计划出版社，2009:11，76.

［4］中国建筑科学研究院.GB50736—2012 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范 ［S］.北京:中国建筑工业出版社，2012:27，76.

［5］中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施暖通空调·动力 ［S］.北京:中国计划出版社，2009:24.

［6］寿炜炜，胡仰耆.空调水系统立管固定支座受力计算与波纹补偿器选择 ［J］.暖通空调，1999，29(2):55-57.