管廊內(nèi)熱力和空調(diào)管道支架研究

陳贇，朱璇

（1.蘇州泰盛新綠節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 太倉215400；2.中國中元國際工程有限公司能源中心，北京100089）

1 引言

綜合管廊由于能避免敷設(shè)和維修地下管線時(shí)對交通和居民出行造成影響和干擾，便于各種管線的敷設(shè)、增減、維修和日常管理，有效利用道路下的空間，節(jié)約城市用地等顯而易見的優(yōu)點(diǎn)，近年來在城市建設(shè)中被廣泛運(yùn)用。

管廊內(nèi)熱力和空調(diào)管道支吊架是管道系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，它對管道起著支撐重量、平衡介質(zhì)反力、限制位移和防止振動(dòng)的作用。

管廊內(nèi)的熱力和空調(diào)管道由于其輸送的冷熱介質(zhì)的溫度與管廊環(huán)境溫度有很大差異，為減少管內(nèi)熱量/冷量的散失，保證溫度設(shè)計(jì)參數(shù)的穩(wěn)定，保證操作人員安全，防止管道外表面結(jié)露，管廊內(nèi)的熱力和空調(diào)管道采用絕熱型支架是必要的。

2 管廊內(nèi)熱力和空調(diào)管道支吊架

2.1 固定支架

固定支架是對管道系統(tǒng)進(jìn)行分段設(shè)計(jì)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。相鄰2個(gè)固定支架之間的管道構(gòu)成一個(gè)單獨(dú)的設(shè)計(jì)管段。這個(gè)管段上波紋補(bǔ)償器的彈性力和盲板力、套筒補(bǔ)償器的摩擦力、自然補(bǔ)償管道的彈性力、管道熱脹冷縮移動(dòng)時(shí)與支架之間的摩擦力均要經(jīng)固定支架傳向管廊結(jié)構(gòu)。

合理確定固定支架位置和間距是確保管系安全運(yùn)行的關(guān)鍵，也影響著整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)性，主要影響因素有下列3 點(diǎn)：

1）管道最大熱伸長量不超過補(bǔ)償器所允許的補(bǔ)償量；

2）固定支架受到的最大荷載不超過管廊的承載能力；

3）管道受軸向壓力時(shí)不會出現(xiàn)彎曲失穩(wěn)。

2.2 滑動(dòng)支架

滑動(dòng)支架保護(hù)管道在伸縮過程中不會受損，要從強(qiáng)度和剛度2 個(gè)條件決定支架間距。

滑動(dòng)支架的摩擦系數(shù)是影響設(shè)計(jì)的重要因素。鋼支架在鋼墊板上滑動(dòng)時(shí)摩擦系數(shù)大于0.3。若在支架下加圓形滾子，滑動(dòng)摩擦系數(shù)會大大降低，但缺乏維護(hù)造成嚴(yán)重銹蝕后，阻力會變大。支架下采用鏡面不銹鋼和聚四氟乙烯板組成的滑動(dòng)摩擦副，在相對滑動(dòng)過程中，聚四氟乙烯會轉(zhuǎn)移到不銹鋼的表面微槽中，因而滑動(dòng)摩擦系數(shù)小于0.1。若能在滑動(dòng)面間加注硅脂，滑動(dòng)摩擦系數(shù)會小于0.05。低的滑動(dòng)阻力能大大降低管道對固定支架處的推力。

2.3 導(dǎo)向支架

導(dǎo)向支架只允許被支撐管道在軸向移動(dòng)，而不發(fā)生側(cè)向滑移。在波紋補(bǔ)償器和套筒補(bǔ)償器的自由端都必須要設(shè)3 道導(dǎo)向支架。在長直管段連續(xù)設(shè)置的滑動(dòng)支架中，也要適當(dāng)布置導(dǎo)向支架，防止直管段受軸向力側(cè)向失穩(wěn)。

導(dǎo)向支架的結(jié)構(gòu)與滑動(dòng)支架相似，僅在滑動(dòng)支架固定底板的兩側(cè)焊接導(dǎo)向角鋼，夾住滑動(dòng)支架，兩側(cè)僅留2～3mm 間隙。這種結(jié)構(gòu)能承擔(dān)垂直載荷一半的側(cè)向載荷。若工程設(shè)計(jì)需較大的側(cè)向力時(shí)，要增加防側(cè)翻的措施。

2.4 彈簧支吊架

對垂直走向的熱力或空調(diào)管道應(yīng)設(shè)彈簧支吊架，讓其中的圓柱螺旋壓縮彈簧引起的高度變化去補(bǔ)償支吊架處的熱位移。彈簧高度變化必然改變承載的載荷，有關(guān)國內(nèi)外管道支吊架的標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定，彈簧支吊架的載荷變化率不大于25%。但為了降低圓柱螺旋彈簧的高度，適應(yīng)管廊的窄小空間，針對熱力和空調(diào)管道宜將允許載荷變化率放寬至35%。

國家能源局發(fā)布的NB/T 41039—2013《可變彈簧支吊架》[1]，雖然版本多次修訂，但技術(shù)參數(shù)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)并無大的變化，已在電力、化工等工程使用了30 余年。承載的核心部件是圓柱螺旋壓縮彈簧，彈簧的料徑和中徑按最大承載從255～217384N分成25 級規(guī)格，每種規(guī)格彈簧的工作圈或自由高度按最大位移（不是最大變形）又分為30mm、60mm、90mm 和120mm 4級。彈簧支吊架的殼體及與建筑結(jié)構(gòu)的連接方式按吊架分為A、B、C、D、E 和G 6 種，支架分為F1 和F2（帶滾子）2 種。

從NB/T 41039—2013《可變彈簧支吊架》表2“可變彈簧支吊架載荷位移選用表”可查取需用彈簧支吊架的規(guī)格編號。規(guī)格編號應(yīng)按式（1）、式（2）復(fù)核：

式中，Δ 為管道垂直熱位移，mm；p'為彈簧剛度，N/mm；P為工作載荷，N。

為適應(yīng)管廊內(nèi)窄小的空間，可請彈簧支吊架制造商進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)和制造。

3 管廊內(nèi)熱力和空調(diào)管道絕熱支架

3.1 絕熱塊

管廊內(nèi)敷設(shè)的熱力和空調(diào)管道應(yīng)采取優(yōu)良的絕熱措施，降低管道的能耗，改善管廊內(nèi)運(yùn)行環(huán)境。管道散熱或失冷大部分是在管道本體發(fā)生。選用優(yōu)良的隔熱保冷材料和施工技術(shù)可大大降低這部分損失。但鋼管與鋼支座直接接觸發(fā)生的損失不可忽視。這部分損失有時(shí)高達(dá)全部損失的1/3，甚至引起冷管道凝露。降低這項(xiàng)損失的方法是在鋼管和鋼支座之間襯墊高強(qiáng)度低導(dǎo)熱系數(shù)的非金屬絕熱塊。過去曾選用木塊，但木塊易燃，受潮易腐，應(yīng)用效果不佳。目前工程上采用的絕熱塊材料性能見表1。

表1 絕熱塊性能

JG/T 202—2007《工程管道用聚氨酯、蛭石絕熱材料支吊架》[2]是目前實(shí)施的絕熱支架標(biāo)準(zhǔn)，其中列出了硬質(zhì)發(fā)泡聚氨酯絕熱支撐件和膨脹蛭石基絕熱支撐件2 種絕熱塊的要求。

由于管道是圓截面，因此，絕熱塊基本形狀為半圓環(huán)組合或扇形分瓣組合。單層徑向厚度不宜超過80mm，對合面上設(shè)凹凸企口，可增大熱損的阻力。

3.2 絕熱型固定支架

絕熱型固定支架的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 絕熱型固定支架圖

承力環(huán)或承力輪焊接在管道上，焊縫尺寸應(yīng)足以傳遞軸向載荷。承力環(huán)或承力輪兩側(cè)為絕熱塊，絕熱塊再被上下管夾上的扇形板夾住。上下管夾的側(cè)法蘭用螺栓夾緊，但這些螺栓不能將上管夾受到的管道軸向力傳到下管夾的側(cè)法蘭。因而下管夾側(cè)法蘭的四角焊有角鋼，上管夾的側(cè)法蘭正好卡入，這就將上管夾受到的管道軸向力傳到下法蘭，再經(jīng)下管夾和支架將全部軸向載荷傳到管廊基礎(chǔ)。

通過管道應(yīng)力計(jì)算得到的數(shù)據(jù)看，固定支架上會有垂直、側(cè)向和軸向3 個(gè)方向荷載，有時(shí)候還會有水平彎曲、垂直彎曲和繞管軸線扭轉(zhuǎn)3 個(gè)力矩。

絕熱型固定支架在管道（包括焊在上面的承力環(huán)或承力輪）與管夾和扇形板之間夾了抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于鋼材的非金屬環(huán)狀絕熱塊，通過承壓應(yīng)力計(jì)算，它能承受垂直、側(cè)向和軸向3個(gè)方向的荷載。但水平彎曲和垂直彎曲力矩會在絕熱塊上產(chǎn)生很大的擠壓應(yīng)力，而繞管軸線的扭矩?zé)o法在絕熱環(huán)上得到平衡。因此，這3 個(gè)力矩應(yīng)選擇采取工程措施消納，如借助相鄰支架形成的支反力偶來平衡，而不能作用在絕熱固定支架上，以免造成固定支架的破壞。

3.3 絕熱型滑動(dòng)支架和導(dǎo)向支架

滑動(dòng)支架和導(dǎo)向支架均要承擔(dān)管道在該支架處的全部垂直荷載和側(cè)向荷載，絕熱塊的軸向?qū)挾葢?yīng)保證絕熱塊上的平均壓應(yīng)力有一定的安全裕度。絕熱塊的徑向厚度應(yīng)滿足管道隔熱保冷的要求；絕熱塊的外表面溫度不能高于防燙傷的60℃；保冷時(shí)外表面在高濕度季節(jié)不出現(xiàn)凝露。絕熱型滑動(dòng)支架一般應(yīng)在軸向設(shè)2 個(gè)絕熱支承圈，底部是滑動(dòng)底座（見圖2）。

圖2 絕熱型滑動(dòng)支架圖

管道從安裝態(tài)（或停運(yùn)態(tài)）到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，絕熱支架在底面聚四氟乙烯片上的傳力點(diǎn)從右端移到左端，每一端的絕熱支承圈幾乎要承擔(dān)該支架的全部荷載?；瑒?dòng)底座則要滿足集中荷載在中央的簡支梁的強(qiáng)度要求：滑動(dòng)底板對的軸向長度應(yīng)有足夠的尺寸。

圖2 中的滑動(dòng)量ΔL可按式（3）計(jì)算：

式中，α 為鋼管的線膨脹系數(shù)，可取1.2×10-5℃-1；t1為管內(nèi)介質(zhì)最高或最低溫度；t2為管廊內(nèi)的最低（熱管道）或最高（冷管道）環(huán)境溫度；L為該支架離固定支架的距離。

以固定支架為起點(diǎn)，滑動(dòng)支架和導(dǎo)向支架的滑移量隨離固定支架的距離而遞增，滑動(dòng)底板的長度也遞增。為了節(jié)省投資，可將滑動(dòng)底板的長度按ΔLmax分成1/3、2/3 和3/3 制造。離固定支架很近、滑移量很小的滑動(dòng)支架也可采用單絕熱支承圈的支架。若要采取這種節(jié)約的方式，則在安裝時(shí)一定要確保正確的支架安裝位置。

4 支架的安裝和運(yùn)行檢查

4.1 支架的安裝

熱力和空調(diào)管道能長久安全運(yùn)行，除了要控制各類支架與絕熱塊的制造質(zhì)量，安裝質(zhì)量也很重要。

固定支架是通過焊縫將管道載荷傳向管廊結(jié)構(gòu)，焊縫尺寸和焊接質(zhì)量要檢驗(yàn)合格后才能進(jìn)入組裝連接。

滑動(dòng)支架和導(dǎo)向支架的位置需準(zhǔn)確，滑動(dòng)方向不能裝反，滑動(dòng)量宜逐個(gè)檢查。

要做好支架絕熱塊和管道隔熱保冷層的結(jié)合措施，防止從接縫處散熱或失冷。

4.2 支架的運(yùn)行檢查

應(yīng)定期對管廊內(nèi)熱力和空調(diào)管道的支架進(jìn)行檢查。主要檢查固定支架處管道是否有明顯竄動(dòng)、支架變形或焊縫開裂；滑動(dòng)支架和導(dǎo)向支架的滑動(dòng)有否受阻。若是管道在絕熱支架中明顯下沉則是絕熱塊有損壞。檢查結(jié)果要做好記錄和現(xiàn)場標(biāo)記，分析故障原因，并及時(shí)維修。

5 結(jié)語

綜合管廊內(nèi)熱力和空調(diào)管道各類支架的正確運(yùn)用，能改善管道應(yīng)力分布，確保管道安全運(yùn)行，延長管道使用壽命。絕熱支架的運(yùn)用能穩(wěn)定供能參數(shù)，起到節(jié)能環(huán)保的作用。