論熱力管道架空敷設中的熱補償設計策略

冶永福　馬世云

摘 要：筆者在文章中，分析了熱力管道在山區(qū)等復雜地形中的敷設方式，并根據筆者參加熱力管道架空工程設計的工作經驗，分析架空管道敷設工程的施工方案設計要點，降低因為架空敷設導致管道受熱變化而引起的工程質量隱患，降低工程的安全事故發(fā)生的幾率。

關鍵詞：熱力管道；架空敷設；熱補償設計

一、熱力管道的架空設計策略

隨著小區(qū)的增多，城市的供熱系統(tǒng)也在不斷壯大完善，一些老式的鍋爐房因無法適應新環(huán)境的發(fā)展而逐漸被淘汰，隨之取代的是新的清潔能源，利用熱電廠高溫水進行取暖的方式逐漸占據主導地位。高溫水管道的運行溫度和壓力都很高，必須考慮管道的熱應力變化，并采取相應的技術措施，否則，由此產生的作用力將通過管道系統(tǒng)傳遞到固定支架和相連的設備上，對設備以及管道的安全運行構成很大的威脅，甚至造成安全事故。山地型小區(qū)的地質條件比較復雜，各用熱點之間的高差較大，管道的鋪設方式應根據不同的情況采用不同的類型。一般情況下，如果小區(qū)地面、道路規(guī)劃較好，房屋的附近也較平整，而且宜設置供暖地溝，此時就應采用通行地溝，如階梯狀地溝和豎井相結合的方式，使管道便于安裝、檢查和維修。如果小區(qū)位于半山坡，總面積較大，小區(qū)內住宅高低錯落，地質條件變化復雜、道路縱橫交錯，并且設計中出現(xiàn)落差大、樓距近等具體問題，需借鑒排水落差井原理，采用階梯式爬坡和單雙層管道豎井相結合的形式，使得管道能夠順利通行。如果在多雨地區(qū)，地下水位高，沒有足夠的經濟條件采用有效防水措施時；地形復雜、土石方工程量大或地下障礙多時，可采用架空敷設法。

二、熱力管道的熱補償設計策略

為了吸收管道熱伸長和消除管道所產生的熱應力，在設計中，必須考慮管道的熱補償。補償分自然補償和人工補償兩種，自然補償是指充分利用管道自身的彈性彎曲和扭轉變形，以達到熱脹和冷縮的要求；人工補償是在有熱脹或冷縮的管道上人為的裝設補償元件，如方形補償器、套筒補償器、波紋管補償器和球形補償器等，補償元件因其自身的柔性而具有補償功能。熱補償設計時首先應充分利用管道本身的自然彎曲進行補償，當彎管轉角小于150°時用自然補償；大于150°時不能用自然補償。動力管道設計中自然補償常采用L型直角彎，Z字形折角彎和空間立體彎三類自然補償方式。高溫水管道補償設計的核心是管道的應力分析計算，采用應力分析軟件進行應力計算主要分三步：一是繪制初步的管線布置圖，以固定支架和設備來劃定需要計算的管道系統(tǒng)；二是正確設置配置文件；三是輸入管系的各項計算參數，如設計壓力、設計溫度、管徑、材質以及管件、支吊架形式和位置等，接下來程序便進行靜態(tài)和動態(tài)分析。若應力分析計算未通過，則調整管道的走向、改變補償結構、改變支架和吊架的形式和位置，重新驗算直至合格通過。

三、熱力管道的支架與補償器設計策略

（一）支架的設計策略。蒸汽管系所受載荷主要是外力載荷和位移載荷，設置管架的目的在于消除外載作用在設備或管道上的作用力，將管道系統(tǒng)分割成簡單穩(wěn)定、可獨立膨脹的管段，同時用來承受管道因熱脹冷縮所產生的推力，其推力大小與管徑、溫度、支架位置和補償器的形式有關，一般應考慮三個方面：一是管段的熱伸長在補償器的允許補償量范圍內；二是管道不產生縱向彎曲，特別是對同軸度要求較高的補償器，固定支架的間距尤其重要。為保證補償器的同軸度，補償器應安裝在固定支架旁的直管段上，活動側設導向支架。三是兩個固定支架之間的管段不應安裝多個補償器，除了兩端設備外，中間支架應全部為滑動管托。

（二）補償器的設計策略。一般而言，高溫和大直徑的管道系統(tǒng)適合采用波紋管補償器，其優(yōu)點是吸收位移大并且管道系統(tǒng)美觀和緊湊。但因波紋管補償器自身結構的原因，波紋管補償器也成為管道系統(tǒng)中最為薄弱的環(huán)節(jié)，因此在決定使用波紋管補償器時，應對管道系統(tǒng)進行詳細而且嚴格的應力分析，從而決定安裝波紋管補償器的位置以及型式，不可以盲目的隨意使用。

（三）其他要點的設計策略。在管道閥門、盲端或支管與主管交匯處，管道內介質的流動會對管道產生盲板力，通過管道傳遞至附近的固定支架上。當在兩個固定支架之間設置套簡或軸向波紋補償器時，補償器一側有閥門且閥門關閉，或固定支架設置位置靠近彎管段時，內壓力的作用將使補償器存在脫下的趨勢。因此固定支架必需有足夠的剛度，以抵抗使補償器脫開的盲板力。由于蒸汽管道間斷運行，管道中產生凝結水不能及時排出來，冷凝水在蒸汽的壓力作用下，會對管壁產生沖擊，水擊產生的能量釋放不出來，最終作用在管道保溫結構、支架、補償器及閥門上。防止管道水擊的措施：根據熱負荷合理確定相應管徑，有針對性的設置好疏水點，及時進行疏水。在補償器的設計布置方式上也應加以改進，建議將波紋補償器遠離彎頭及上翻處的固定支架，改在靠近另一側的固定支架，這樣即使管道中存在少量積水，但作用位置遠離補償器，也可大大減少水擊的對波紋補償器造成的破壞。

綜上所述，建設單位、施工企業(yè)及其他相關機構在組織熱力管道架空施工過程中，應當對管道架空敷設中的熱補償問題進行嚴密、精確的設計，一方面保證熱力管道安裝工程的高性能、高質量，另一方面還應當滿足熱力管道的現(xiàn)代化設計要求，為城市居民提供溫暖、舒適的居住環(huán)境。有關單位及其設計人員應當繼續(xù)提高管道工程設計水平，優(yōu)化熱力管道的架空敷設方案，提高熱力管道安裝工程的施工質量。

參考文獻

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作者簡介：冶永福，中國市政工程西北設計研究院有限公司。