波形補(bǔ)償器在熱力管道中的設(shè)置＊

王海濤，王金墩

(濰坊市建設(shè)工程施工圖審查中心，山東濰坊奎文 261031)

波形補(bǔ)償器有著占用空間小、補(bǔ)償量大、布置靈活的優(yōu)點(diǎn)，在熱力管網(wǎng)中應(yīng)用日益廣泛，但是如何正確合理的設(shè)置，在設(shè)計(jì)人員中有著許多模糊認(rèn)識(shí)，甚至因設(shè)置不當(dāng)造成經(jīng)濟(jì)損失或工程事故也時(shí)有發(fā)生。本文就波形補(bǔ)償器在常見(jiàn)管段上如何布置做一分析。

1 直埋管道波形補(bǔ)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(jù)吸收熱位移的方式，波形補(bǔ)償器分為軸向型、橫向型和角向型三大類，其中軸向型應(yīng)用最為普及，這也是本文討論的重點(diǎn)。在直埋熱力管道系統(tǒng)中，波形補(bǔ)償器的布置一方面要考慮減少分支點(diǎn)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(jì)算如圖1示。

式 (1)、(2)中，F(xiàn)1、F2為固定支架承受的軸向推力，N;FA為波形補(bǔ)償器的彈性力，N;FA=Kwex，其中Kw為波紋管總剛度，N/mm，ex為設(shè)計(jì)伸縮量，mm;FB為波形補(bǔ)償器承受的軸向內(nèi)壓力，N;FB=P0(AB－A)，其中P0為介質(zhì)的工作壓力，MPa，AB為波形補(bǔ)償器有效面積，mm2，A為管道的內(nèi)截面積，mm2;q為單位長(zhǎng)度直埋敷設(shè)預(yù)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(shù);Dc為預(yù)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(zhǎng)度，m。

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

當(dāng)固定支架及補(bǔ)償器確定后，F(xiàn)A、FB的大小與波形補(bǔ)償器的特性和管道的伸縮量有關(guān)，對(duì)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(dāng)管道長(zhǎng)度L=50 m時(shí)，摩擦力為(5089～10177)×50=254.6～508.9 kN=26.0～51.9 t，僅此一項(xiàng)，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(jiǎn)化計(jì)算，管徑均為一致)。

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

因?yàn)長(zhǎng)1、L4很小，可不考慮土壤摩擦力對(duì)F1、F3的影響。F2因兩側(cè)受力，方向相反，應(yīng)計(jì)入折減系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn) ［1］第5.1.2.2條規(guī)定取0.8，補(bǔ)償器的內(nèi)壓不平衡力相互抵消［1］，不計(jì)入。仍以上述管道為例，如L2=L3=50 m，波形補(bǔ)償器有效面積400.9 cm2，總剛度45 N/mm，設(shè)計(jì)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(shí)踐中建議合理劃分管段，補(bǔ)償器采用對(duì)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(bǔ)償器的布置

隨著高層建筑的增多，空調(diào)或熱力管道的高度也越來(lái)越高，熱補(bǔ)償是必須考慮的內(nèi)容［4］。

設(shè)有波形補(bǔ)償器的管段，在盲板、彎頭、閥門(mén)以至于管道變截面處都要考慮設(shè)置固定措施。補(bǔ)償器置于立管管段的上方或下方，設(shè)計(jì)人員多有爭(zhēng)議。其受力分析如圖3。

圖3 立管波形補(bǔ)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(zhǎng)度要根據(jù)管段的自然補(bǔ)償及閥門(mén)的受力等因素綜合確定，短臂長(zhǎng)度不小于2 m;L2+L3和L4的長(zhǎng)度要考慮管段頂部分支接點(diǎn)由管道伸縮引起的最大位移，一般不大于20 mm［5］。當(dāng)然如果立管沒(méi)有支管接出，L2+L3的長(zhǎng)度由補(bǔ)償器允許補(bǔ)償量確定。以力向下為正，向上為負(fù)，列式如下。

冷態(tài)時(shí):

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(zhì)自重以及保溫層的重量)，N;Fn為管道端部?jī)?nèi)壓推力，N，F(xiàn)n=P0A;Ff為相鄰管道因截面積不同而產(chǎn)生的內(nèi)壓力，N。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮滑動(dòng)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(bǔ)償產(chǎn)生的水平推力計(jì)算見(jiàn)有關(guān)資料。

熱態(tài)時(shí):式 (8)中Fy為自然補(bǔ)償管段在垂直方向上的彈性力，N。為計(jì)算方便，現(xiàn)給出常見(jiàn)規(guī)格的焊接鋼管管段重量，見(jiàn)表1。

表1 單位長(zhǎng)度焊接鋼管 (含介質(zhì))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(jí)1.60 MPa的波形補(bǔ)償器，設(shè)計(jì)補(bǔ)償量2 cm，補(bǔ)償器參數(shù)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(bǔ)償器置于上方或下方分別計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2(計(jì)算從略)。

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

可見(jiàn)補(bǔ)償器置于上方或下方對(duì)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(bǔ)償器的工作壓力，同時(shí)也可防止因?yàn)槭┕げ灰?guī)范而使其承受過(guò)大的管道重力。

在對(duì)固定支架受力計(jì)算時(shí)，應(yīng)充分考慮管道系統(tǒng)在冷態(tài)或熱態(tài)時(shí)的最大工作壓力，其中冷態(tài)應(yīng)以試壓標(biāo)準(zhǔn)下的壓力為準(zhǔn)。從表2看出，固定支架冷態(tài)時(shí)受力較大，相應(yīng)的生根計(jì)算也應(yīng)以此為準(zhǔn)。

固定支架的受力計(jì)算在設(shè)計(jì)中是一項(xiàng)重要內(nèi)容，文獻(xiàn) ［5］第2.4.11.7條規(guī)定:采用套筒補(bǔ)償器或波紋管補(bǔ)償器時(shí)，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向支架;當(dāng)管徑DN≥50 mm時(shí)，應(yīng)進(jìn)行固定支架的推力計(jì)算，驗(yàn)算支架強(qiáng)度。

為減少固定支架的受力，選用低剛度的波形補(bǔ)償器以及對(duì)其進(jìn)行合理的預(yù)拉伸和預(yù)壓縮，可以有效地減少補(bǔ)償器的彈性力［6］。如預(yù)處理正確，熱位移時(shí)可取0.5ex進(jìn)行彈性力計(jì)算。或者選擇波形補(bǔ)償器時(shí)留有足夠的余量，不但可以延長(zhǎng)其使用壽命，而且根據(jù)胡克定律，補(bǔ)償器的總剛度為Kw=K/n，其中K為一個(gè)波的剛度，N/mm，n為波數(shù)?？梢?jiàn)隨著波數(shù)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(jié)論

1.直埋管道建議合理劃分管段，補(bǔ)償器采用對(duì)稱布置，以減少固定支架受力。

2.對(duì)于熱水立管，波形補(bǔ)償器建議置于上方，以延長(zhǎng)其使用壽命。

3.選用低剛度的波形補(bǔ)償器以及對(duì)其進(jìn)行合理的預(yù)拉伸和預(yù)壓縮，或選型時(shí)留有足夠的余量，都可以有效地降低補(bǔ)償器的彈性力。

本文就波形補(bǔ)償器的布置原則作了簡(jiǎn)單的介紹，亦未涉及復(fù)雜管段的受力分析，而且為節(jié)省篇幅，適當(dāng)作了簡(jiǎn)化。設(shè)計(jì)人員應(yīng)就具體設(shè)計(jì)作具體分析，詳細(xì)計(jì)算，以保證熱力管網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、合理運(yùn)行。

［1］唐山市熱力總公司.CJJ/T 81—98 城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程 ［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

［2］賀平，孫剛.供熱工程［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993:267.

［3］中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.05R410 熱水管道直埋敷設(shè)［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2009:11，76.

［4］中國(guó)建筑科學(xué)研究院.GB50736—2012 民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范 ［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012:27，76.

［5］中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施暖通空調(diào)·動(dòng)力 ［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2009:24.

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