管廊内热力和空调管道支架研究

陈贇，朱璇

（1.苏州泰盛新绿节能环保科技有限公司，江苏 太仓215400；2.中国中元国际工程有限公司能源中心，北京100089）

1 引言

综合管廊由于能避免敷设和维修地下管线时对交通和居民出行造成影响和干扰，便于各种管线的敷设、增减、维修和日常管理，有效利用道路下的空间，节约城市用地等显而易见的优点，近年来在城市建设中被广泛运用。

管廊内热力和空调管道支吊架是管道系统中的一个重要组成部分，它对管道起着支撑重量、平衡介质反力、限制位移和防止振动的作用。

管廊内的热力和空调管道由于其输送的冷热介质的温度与管廊环境温度有很大差异，为减少管内热量/冷量的散失，保证温度设计参数的稳定，保证操作人员安全，防止管道外表面结露，管廊内的热力和空调管道采用绝热型支架是必要的。

2 管廊内热力和空调管道支吊架

2.1 固定支架

固定支架是对管道系统进行分段设计的关键节点。相邻2个固定支架之间的管道构成一个单独的设计管段。这个管段上波纹补偿器的弹性力和盲板力、套筒补偿器的摩擦力、自然补偿管道的弹性力、管道热胀冷缩移动时与支架之间的摩擦力均要经固定支架传向管廊结构。

合理确定固定支架位置和间距是确保管系安全运行的关键，也影响着整个工程的经济性，主要影响因素有下列3 点：

1）管道最大热伸长量不超过补偿器所允许的补偿量；

2）固定支架受到的最大荷载不超过管廊的承载能力；

3）管道受轴向压力时不会出现弯曲失稳。

2.2 滑动支架

滑动支架保护管道在伸缩过程中不会受损，要从强度和刚度2 个条件决定支架间距。

滑动支架的摩擦系数是影响设计的重要因素。钢支架在钢垫板上滑动时摩擦系数大于0.3。若在支架下加圆形滚子，滑动摩擦系数会大大降低，但缺乏维护造成严重锈蚀后，阻力会变大。支架下采用镜面不锈钢和聚四氟乙烯板组成的滑动摩擦副，在相对滑动过程中，聚四氟乙烯会转移到不锈钢的表面微槽中，因而滑动摩擦系数小于0.1。若能在滑动面间加注硅脂，滑动摩擦系数会小于0.05。低的滑动阻力能大大降低管道对固定支架处的推力。

2.3 导向支架

导向支架只允许被支撑管道在轴向移动，而不发生侧向滑移。在波纹补偿器和套筒补偿器的自由端都必须要设3 道导向支架。在长直管段连续设置的滑动支架中，也要适当布置导向支架，防止直管段受轴向力侧向失稳。

导向支架的结构与滑动支架相似，仅在滑动支架固定底板的两侧焊接导向角钢，夹住滑动支架，两侧仅留2～3mm 间隙。这种结构能承担垂直载荷一半的侧向载荷。若工程设计需较大的侧向力时，要增加防侧翻的措施。

2.4 弹簧支吊架

对垂直走向的热力或空调管道应设弹簧支吊架，让其中的圆柱螺旋压缩弹簧引起的高度变化去补偿支吊架处的热位移。弹簧高度变化必然改变承载的载荷，有关国内外管道支吊架的标准均规定，弹簧支吊架的载荷变化率不大于25%。但为了降低圆柱螺旋弹簧的高度，适应管廊的窄小空间，针对热力和空调管道宜将允许载荷变化率放宽至35%。

国家能源局发布的NB/T 41039—2013《可变弹簧支吊架》[1]，虽然版本多次修订，但技术参数和产品结构并无大的变化，已在电力、化工等工程使用了30 余年。承载的核心部件是圆柱螺旋压缩弹簧，弹簧的料径和中径按最大承载从255～217384N分成25 级规格，每种规格弹簧的工作圈或自由高度按最大位移（不是最大变形）又分为30mm、60mm、90mm 和120mm 4级。弹簧支吊架的壳体及与建筑结构的连接方式按吊架分为A、B、C、D、E 和G 6 种，支架分为F1 和F2（带滚子）2 种。

从NB/T 41039—2013《可变弹簧支吊架》表2“可变弹簧支吊架载荷位移选用表”可查取需用弹簧支吊架的规格编号。规格编号应按式（1）、式（2）复核：

式中，Δ 为管道垂直热位移，mm；p'为弹簧刚度，N/mm；P为工作载荷，N。

为适应管廊内窄小的空间，可请弹簧支吊架制造商进行非标设计和制造。

3 管廊内热力和空调管道绝热支架

3.1 绝热块

管廊内敷设的热力和空调管道应采取优良的绝热措施，降低管道的能耗，改善管廊内运行环境。管道散热或失冷大部分是在管道本体发生。选用优良的隔热保冷材料和施工技术可大大降低这部分损失。但钢管与钢支座直接接触发生的损失不可忽视。这部分损失有时高达全部损失的1/3，甚至引起冷管道凝露。降低这项损失的方法是在钢管和钢支座之间衬垫高强度低导热系数的非金属绝热块。过去曾选用木块，但木块易燃，受潮易腐，应用效果不佳。目前工程上采用的绝热块材料性能见表1。

表1 绝热块性能

JG/T 202—2007《工程管道用聚氨酯、蛭石绝热材料支吊架》[2]是目前实施的绝热支架标准，其中列出了硬质发泡聚氨酯绝热支撑件和膨胀蛭石基绝热支撑件2 种绝热块的要求。

由于管道是圆截面，因此，绝热块基本形状为半圆环组合或扇形分瓣组合。单层径向厚度不宜超过80mm，对合面上设凹凸企口，可增大热损的阻力。

3.2 绝热型固定支架

绝热型固定支架的结构如图1 所示。

图1 绝热型固定支架图

承力环或承力轮焊接在管道上，焊缝尺寸应足以传递轴向载荷。承力环或承力轮两侧为绝热块，绝热块再被上下管夹上的扇形板夹住。上下管夹的侧法兰用螺栓夹紧，但这些螺栓不能将上管夹受到的管道轴向力传到下管夹的侧法兰。因而下管夹侧法兰的四角焊有角钢，上管夹的侧法兰正好卡入，这就将上管夹受到的管道轴向力传到下法兰，再经下管夹和支架将全部轴向载荷传到管廊基础。

通过管道应力计算得到的数据看，固定支架上会有垂直、侧向和轴向3 个方向荷载，有时候还会有水平弯曲、垂直弯曲和绕管轴线扭转3 个力矩。

绝热型固定支架在管道（包括焊在上面的承力环或承力轮）与管夹和扇形板之间夹了抗压强度远低于钢材的非金属环状绝热块，通过承压应力计算，它能承受垂直、侧向和轴向3个方向的荷载。但水平弯曲和垂直弯曲力矩会在绝热块上产生很大的挤压应力，而绕管轴线的扭矩无法在绝热环上得到平衡。因此，这3 个力矩应选择采取工程措施消纳，如借助相邻支架形成的支反力偶来平衡，而不能作用在绝热固定支架上，以免造成固定支架的破坏。

3.3 绝热型滑动支架和导向支架

滑动支架和导向支架均要承担管道在该支架处的全部垂直荷载和侧向荷载，绝热块的轴向宽度应保证绝热块上的平均压应力有一定的安全裕度。绝热块的径向厚度应满足管道隔热保冷的要求；绝热块的外表面温度不能高于防烫伤的60℃；保冷时外表面在高湿度季节不出现凝露。绝热型滑动支架一般应在轴向设2 个绝热支承圈，底部是滑动底座（见图2）。

图2 绝热型滑动支架图

管道从安装态（或停运态）到稳定运行状态，绝热支架在底面聚四氟乙烯片上的传力点从右端移到左端，每一端的绝热支承圈几乎要承担该支架的全部荷载。滑动底座则要满足集中荷载在中央的简支梁的强度要求：滑动底板对的轴向长度应有足够的尺寸。

图2 中的滑动量ΔL可按式（3）计算：

式中，α 为钢管的线膨胀系数，可取1.2×10-5℃-1；t1为管内介质最高或最低温度；t2为管廊内的最低（热管道）或最高（冷管道）环境温度；L为该支架离固定支架的距离。

以固定支架为起点，滑动支架和导向支架的滑移量随离固定支架的距离而递增，滑动底板的长度也递增。为了节省投资，可将滑动底板的长度按ΔLmax分成1/3、2/3 和3/3 制造。离固定支架很近、滑移量很小的滑动支架也可采用单绝热支承圈的支架。若要采取这种节约的方式，则在安装时一定要确保正确的支架安装位置。

4 支架的安装和运行检查

4.1 支架的安装

热力和空调管道能长久安全运行，除了要控制各类支架与绝热块的制造质量，安装质量也很重要。

固定支架是通过焊缝将管道载荷传向管廊结构，焊缝尺寸和焊接质量要检验合格后才能进入组装连接。

滑动支架和导向支架的位置需准确，滑动方向不能装反，滑动量宜逐个检查。

要做好支架绝热块和管道隔热保冷层的结合措施，防止从接缝处散热或失冷。

4.2 支架的运行检查

应定期对管廊内热力和空调管道的支架进行检查。主要检查固定支架处管道是否有明显窜动、支架变形或焊缝开裂；滑动支架和导向支架的滑动有否受阻。若是管道在绝热支架中明显下沉则是绝热块有损坏。检查结果要做好记录和现场标记，分析故障原因，并及时维修。

5 结语

综合管廊内热力和空调管道各类支架的正确运用，能改善管道应力分布，确保管道安全运行，延长管道使用寿命。绝热支架的运用能稳定供能参数，起到节能环保的作用。