淺析補償器的應(yīng)用設(shè)置

暴利超

北京信誠百年工程技術(shù)有限公司，中國·北京 100010

1 引言

無論是供暖管道，還是供冷管道。只要有溫度變化引起的管道長度和應(yīng)力變化，就應(yīng)該進行補償。只是相對于供冷管道，供熱管道的溫差大，管道長度和應(yīng)力變化更大。

暖通空調(diào)的管道也同大多數(shù)物質(zhì)一樣，在溫度變化時會發(fā)生熱脹冷縮變形，這是一種自然的物理現(xiàn)象。如果管道變形受到約束，可能就會破壞管道的支架或者管道本身。因此，在設(shè)計時必須考慮管道的補償。

管道補償分自然補償和補償器補償。管道的溫度變形應(yīng)充分利用管道的轉(zhuǎn)角管段進行自然補償，當(dāng)管道利用自然補償不能滿足要求時，應(yīng)設(shè)置補償器[1]。

補償器屬于一種補償元件，利用其工作主體波紋管的有效伸縮變形，以吸收管線、導(dǎo)管、容器等由熱脹冷縮等原因而產(chǎn)生的尺寸變化，或補償管線、導(dǎo)管、容器等的軸向、橫向和角向位移，也可用于降噪減振，在現(xiàn)代工業(yè)中用途廣泛。供熱上，為了防止供熱管道升溫時，由于熱伸長或溫度應(yīng)力而引起管道變形或破壞，需要在管道上設(shè)置補償器，以補償管道的熱伸長，從而減小管壁的應(yīng)力和作用在閥件或支架結(jié)構(gòu)上的作用力。

2 補償器的工作原理

管道活動端伸縮量應(yīng)按下式計算：

ΔL=α(t1-t2)L×1000

式中：ΔL——管段的熱伸長量，mm；α——鋼材的線膨脹系數(shù)，m/(m·℃)；t1——管道工作循環(huán)最高溫度，℃；t2——管道安裝溫度或工作循環(huán)最低溫度，℃；L——設(shè)計布置的管段長度，m。

管道在施工安裝時的溫度和投入使用以后的溫度不同。通常管道系統(tǒng)投入使用后在設(shè)計工況水溫下工作，也有些空調(diào)系統(tǒng)的管道在冬季和夏季設(shè)計工況的使用溫度是不同的。在夏季和在冬季管道施工安裝時的環(huán)境溫度也不相同，所以管道從施工安裝到系統(tǒng)投入使用，其受溫度變化影響的變形量也是變化的。其最大變形量對應(yīng)的變化溫差應(yīng)該是從施工安裝到管道系統(tǒng)投入使用過程中最高溫度與最低溫度之差。由于我們并不能事先準(zhǔn)確知道施工安裝的時間，它可能是工程所在地的最高溫度，也可能是最低溫度[2]。

3 補償器的主要類型

3.1 套筒式補償器

套筒補償器是城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)常用的補償器，它的優(yōu)點是補償能力大（一般可達(dá)250～400mm），占地面積小，流體阻力小，對固定支架的作用力小，安裝方便，造價低。缺點是工作壓力高時容易漏水或漏氣，維修工作量大，需要經(jīng)常檢修、更換填料，適用于工作壓力1.6MPa以下的直線管段，且需要設(shè)固定支架。

3.2 波紋管補償器

占地面積小、流動阻力小、配管簡單、安裝方便、維修管理方便。缺點是造價較高。管道上還應(yīng)安裝防止波紋管失穩(wěn)的導(dǎo)向支座。設(shè)計時應(yīng)考慮安裝時的冷緊，冷緊系數(shù)一般取0.5[3]。

3.3 方形補償器

制造方便、工作可靠、不用專門維修、軸向推力較小。缺點是介質(zhì)流動阻力大、占地面積大、不方便布置。

3.4 球型補償器

補償能力大（有時補償管段達(dá)300～500m），能做空間變形，占地面積小，安裝方便，造價低，密封性能良好，使用壽命較長。為了降低管道對固定支座的推力，宜采取降低管道與支架摩擦力的措施。

各種補償器的尺寸和流體阻力差別很大，選用管道補償器時，應(yīng)根據(jù)敷設(shè)條件采用維修工作量小、工作可靠和價格較低的補償器。

4 補償器的規(guī)格參數(shù)

①公稱壓力：補償器的公稱壓力應(yīng)高于系統(tǒng)最大工作壓力。當(dāng)介質(zhì)溫度過高時，補償器的承壓能力會有所降低。

②公稱通徑：公稱通徑或公稱直徑就是指管道的直徑。補償器的外徑與補償器形式、連接方式、限位拉桿有關(guān)。外徑有可能比公稱通徑大很多，在確定管道位置和管道間距時必須考慮。

③耐疲勞能力：疲勞強度是指材料在無限多次交變載荷作用而不會產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力，稱為疲勞強度或疲勞極限。與彈簧特性類似，通常根據(jù)供冷或供熱季節(jié)計算。

④補償量：補償器的熱伸長量應(yīng)大于設(shè)計計算量。

⑤補償量修正：當(dāng)變形次數(shù)大于耐疲勞能力時，補償量會降低，需對補償器的補償量進行修正。

⑥剛度與彈性模量：剛度是指材料或結(jié)構(gòu)在受力時抵抗彈性變形的能力，是材料或結(jié)構(gòu)彈性變形難易程度的表征。材料的剛度通常用彈性模量來衡量。

⑦供貨狀態(tài)與安裝長度：供貨狀態(tài)即為補償器的自然狀態(tài)，安裝長度是指需為補償器做預(yù)變形，即預(yù)變形狀態(tài)。

5 波紋補償器的預(yù)變形

波紋補償器是最為常用的，設(shè)計中，常常利用補償器的預(yù)變形來減少管道的推力和增強管道的穩(wěn)定性，但不能增加補償量。

在選用標(biāo)準(zhǔn)補償器時，對于吸收側(cè)向位移或角位移的金屬波紋補償器，如果有預(yù)變形的要求，就一定要進行預(yù)變形，因為這類金屬波紋補償器的導(dǎo)流筒與管壁的間隙是按照額定補償量50%進行設(shè)計的，這樣可以增大導(dǎo)流筒的內(nèi)徑，減少壓力損失。

對于補償量大的補償器，預(yù)變形后所減少的推力也越大，因此，最好進行預(yù)變形。對于補償量小的設(shè)備，一般不進行預(yù)變形。用于吸收振動的補償器，不需要進行預(yù)變形。

軸向補償器的預(yù)變形比較簡單，可利用拉桿進行預(yù)變形，用于補償熱膨脹的進行預(yù)拉伸，用于補償冷收縮的則進行預(yù)壓縮。吸收側(cè)向位移或角位移的補償器預(yù)變形要在配管中進行。一般預(yù)變形量為補償量的50%，使冷態(tài)時和操作時的推力基本相同。

6 管道支架

支吊架是對管道上安裝支架的統(tǒng)稱。支架也可分為好多類，如固定支架、滑動支架、導(dǎo)向支架等。

固定支架：管道軸向、橫向均受限制，不允許管道有位移。

滑動支架：管道軸向、橫向均不受限制，即允許管道前后、左右有位移。

導(dǎo)向支架：滑動支架的一種，一般只允許管道有軸向位移，而不允許有橫向位移。

7 受力計算分析

現(xiàn)以波紋管補償器為例，進行管道的受力計算分析。管道主要受到以下三種力。

7.1 管道內(nèi)介質(zhì)熱位移產(chǎn)生的摩擦力

P1=μ×q×l（N）

式中：μ——摩擦系數(shù)；q——管道的單位長度重量，N/m；l——固定支架所承擔(dān)的管道長度，m。

例如，一根DN300 的水管，固定支架承擔(dān)10m 長的管道重量為15000N，經(jīng)查μ=0.3（根據(jù)《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》），則P1=4500N，約合460kg。

7.2 波紋管補償器內(nèi)壓產(chǎn)生的軸線推力

P2=A×P×100（N）

式中：A——波紋管的有效截面面積，m2；P——管道內(nèi)的工作壓力，Pa。

例如，一根DN300 的水管，工作壓力為0.8MPa，管道有效截面積為0.085m2，則P2=68000N，約合7000kg。

7.3 波紋管補償器的彈性力

P3=Kx×ΔL（N）

式中：Kx——波紋管補償器的剛性強度，N/mm；ΔL——波紋管補償器的軸向位移量，mm。

Kx 與管徑和補償量有關(guān)，經(jīng)查補償器的樣品手冊，一根DN300 的水管，Kx=500N/m，補償量ΔL=64mm，則P3=32000N，約合3265kg。

經(jīng)上述計算分析可見，一個DN300 的管道產(chǎn)生的力是很可觀的，固定支架的受力也會很大，所以在設(shè)計中，對大管徑、高溫、高壓管道必須核算固定支架的推力。

立管固定支架是不受摩擦力的，但可能承受管道和介質(zhì)的重力。僅當(dāng)熱水管道確定不存在向上位移時，采用單向固定支架。當(dāng)不能確定管道位移方向，或存在向上和向下位移可能時，應(yīng)采用雙向立管固定支架。

若推力較大，需想法減小固定支架的受力，通常采用的方法包括：優(yōu)化管道設(shè)計路由，避免補償量過大，彈性反力過大；安裝前做好補償器的預(yù)變形，可以減少補充位移量，減小彈性力；采用內(nèi)外壓平衡式補償器，避免或減小內(nèi)壓推力；將補償器設(shè)置在管徑較小的一端[4]。

8 補償器和固定支架的設(shè)置位置

設(shè)計中，管道的路由是復(fù)制多變的，設(shè)計師應(yīng)根據(jù)實際情況盡可能利用自然補償，若不得不采用補償器進行補償時，應(yīng)盡可能安裝在合適的位置，以最大程度發(fā)揮補償器的作用，如圖1所示。

圖1 補償器和支架安裝位置示意圖

①立管固定應(yīng)設(shè)置在結(jié)構(gòu)混凝土墻體與樓板結(jié)構(gòu)梁處，避免單純樓板受力。

②水平管道固定之間應(yīng)設(shè)置在結(jié)構(gòu)混凝土墻體、結(jié)構(gòu)柱子、結(jié)構(gòu)梁上，避免單純樓板受力。

③避免遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)受力體，在空中設(shè)置管道固定支架。

④補償器靠近一個固定支架，可以減少導(dǎo)向支架的數(shù)量，減少軸向失穩(wěn)的可能。

⑤補償器安裝在管徑小的一端，可以減少對固定支架的作用力。

⑥補償器的位移應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離支管連接處，以減小支管位移。

9 結(jié)語

論文分析了各類補償器的優(yōu)缺點，并通過對波紋補償器的受力計算分析，探討在暖通管道設(shè)計過程中怎么設(shè)置和在哪里設(shè)置補償器。