太原热力设计院（有限公司） 山西太原 030006
摘要：补偿器在热力管网中应用越来越广泛，如果补偿器在管网中安装位置不当，或者安装不到位，极容易引起整个供热系统的瘫痪，导致供热系统无法正常供热，甚至酿成恶性事故。本文就波纹补偿器设计安装的相关问题进行探讨。
关键词：供热系统；波纹补偿器；补偿量；固定支架
前言
供热管道随着所输送热媒温度的升高或管道所处地温度变化时，管道将出现热伸长现象。如果这个热伸长不能得到补偿，会使管子承受巨大的应力，甚至使管道破裂。为了使管道避免被该应力破坏，须在管道上设置各种补偿器及固定支架，以补偿管道的热伸长来减弱或消除该应力，从而对管道系统的安全运行起重要作用。一般而言，高温、低压、大直径的管道系统，在介质较为安全的情况下适合使用波纹补偿器。
一、波纹补偿器的特点及补偿量计算
1.波纹补偿器的特点
波纹补偿器有结构紧凑、补偿量大（最大补偿量在300～400 mm，对于DN 200以上的管线，单边补偿量可达到130～200 mm，对于≤DN 200的管线，单边补偿量可达到100～130 mm）、耐腐蚀、流动阻力小、零泄漏、不用维修等优点，此外，波纹补偿器的主要弹性元件为不锈钢波纹管，依靠波纹管的伸缩、弯曲来对管道进行轴向、横向、角向补偿，可吸收设备振动，减少设备振动对管道的影响，可吸收地震、地陷等对管道造成的变形量，也利于阀门、管道的安装与拆卸。但是波纹补偿器会对固定支架产生压力推力，造成固定支架推力大，造价较高，同时波纹补偿器的管壁较薄，不能承受扭力、振动，安全性较差，对施工安装要求较高。
按照波纹补偿器的波形大致可将波纹补偿器分为U形、Ω形、S形和V形四种。用于供热系统补偿场合的波纹波纹补偿器最好采用U形波。
2.补偿量计算
确定波纹补偿器的形式后，计算管道伸长量，从而确定波纹补偿器规格，管道的热伸长量不得超过补偿器所允许的补偿量，伸长量计算公式如下：
△L=a△t L
式中：△L―――管道伸长量（mm）；
a―――管材线膨胀系数（mm/m•℃），一般钢管道取a=0.012mm/m•℃；
△t ―――管道工作温度与安装时温度之差（℃）；
L―――需补偿管道长度（m），即所需补偿管道固定支架间的距离；
从固定点起，允许不装补偿器的直线管段最大长度民用建筑为33m，工业建筑为42m（管道伸长量分别为40mm和50mm）。
在某工程中，I段、II段供热系统主干管均在地下二层地下车库内排布，直线管段跨度最大为64m。根据上述公式，计算管道伸长量，a取0.012mm/m•℃；△t考虑为87℃，即管道工作温度为95℃，安装时温度8℃；L取64m，经过计算△L=0.012×87×64=66.8（mm），所以波纹补偿器选用△L=70mm，型号：1.6HHWY25/70J，如图1。
二、波纹补偿器支架设置
管道支架对管线起着承托和限制管线位移的作用，对波纹补偿器影响大的主要是固定支架和导向支架。
1.固定支架
固定支架又分为主固定支架和次固定支架。其作用是将管段分段，设置固定点，保证波纹管波纹补偿器在两个固定支架之间的管段内正常工作。
主固定支架承受管线内压力产生的盲板推力，在管线的盲端、拐弯、变径、支管进出口及装有截止阀、减压阀处都设置主固定支架。主固定支架水平推力由内压推力、弹性力、摩擦反力组成。
（1）内压推力F=100P•A ，其中P为工作压力（MPa），A为波纹管有效截面积（cm2）。内压推力F（N）由波纹管有效截面积及工作压力所决定，内压推力与工作压力、有效截面积成正比，一般来说，波纹管补偿器的内压推力都较大。 比如某工程中采暖系统使用的波纹管有效截面积A为3.14×1.25×1.25=4.9（cm2），系统工作压力为1.6MPa，可计算F=100×1.6×4.9=784（N）。
（2）弹性力PA=K•f•L ，其中K为波纹管刚度（N/mm），L为管道实际伸长量，f为系数，预拉伸时为0.5，否则为1。 以图1中固定支架为例，波纹补偿器刚度141N/mm，f取1，L实际伸长量为66.8mm，则弹性力PA=141×1×66.8=9418.8（N）。
（3）摩擦反力=q•μ•I ，其中q为管道重量，μ为摩擦系数，I为管道自由端至固定端的距离。图1中管道为镀锌钢管DN25，参考03S402第6页钢管重量表，知保温钢管DN25每米重5.24kg，则两根采暖管重q=5.24×64×2=670.72（kg），管架计算管重不足10kg的按照10kg计算，超过10kg的按照10kg进位化整，即管重取680kg。μ摩擦系数取0.3，I取1米，摩擦反力=680×0.3×1=204（N）。
综上，前述工程中图1处主固定支架水平推力=784+9418.8+204=10406.8（N），与03S402第10页双管DN32水平推力P1=10620N相比较小，所以此处固定支架做法可参照DN32双管保温管支架做法。
如果管道与波纹补偿器不同心还将计算因偏心造成对固定支架的弯距和侧向推力。主固定支架水平推力巨大，需进行全面结构核算，属于重载支架。
次固定支架不承受管线内压力产生的盲板推力。靠近波纹补偿器端次固定支架只承受波纹补偿器位移时产生的摩擦反力，而另一端次固定支架要承受管道伸缩时与导向支架和滑动托架产生的摩擦反力，属于中间减载支架。
作用于固定支架（如图2）的合力为与之相连的管线产生的作用力的矢量和。一般情况下次固定支架两端承受力很小且相差很小，但考虑管线升温时力的不均衡，可按受力较大一端来计算设计。
三、波纹补偿器安装注意事项
1.波纹补偿器安装前应先检查其外观、规格型号与管道配置要求相符，压力、直径、位移量是否符合设计要求。复核产品合格证，按照设计要求对波纹补偿器进行预拉伸；
2.注意波纹补偿器安装方向。
3.安装时要谨防外物碰状，以防止波纹补偿器的机械损伤，安装中不允许在波纹管上弧、搭焊接线，以防焊渣飞溅波纹管表面造成波纹补偿器损坏。
4.安装过程中，严禁用波纹管变形来调试管道偏差，如通过拉伸、压缩、错动波纹补偿器来配合管道；为了法兰安装强行转动波纹补偿器端部，以对正螺栓孔等。要保证波纹补偿器处于自然状态，以免在系统运行时，波纹补偿器产生高应力，降低使用寿命。
5.安装完毕，应尽快将波纹补偿器外侧起保护作用的保护杆上的螺栓，按补偿量的要求调整限位，以使管系在环境条件下有充分的补偿能力；所有活动元件不得被外部构件卡死或限制其活动范围，应保证各活动部位的正常动作。
6.水压试验时，应对装有补偿器管路端部的次固定管架进行加固，使管路不发生移动或转动；对用于气体介质的补偿器及其连接管路，充水时要根据需要增设临时支架，要求水压试验用水氯离子浓度≤25PPM。另外，补偿器在系统压力试验时的判定标准与在制造厂压力试验要求相同。
7.与补偿器波纹管接触的保温材料应不含氯。
四、结束语
波纹补偿器在使用时，经过不断的热胀冷缩后金属容易疲劳开裂，所以成为供暖系统中最为薄弱的环节，影响到系统的安全性，需要密切关注。另由于执行标准不同、材质选择不同、具体使用环境不同，在选用时需工程设计人员调查研究，总结经验，吸取教训，对管道系统进行详细而且严格的应力分析，选择合适的补偿器，合理布置，正确施工安装，从而保证供暖系统正常运作。
论文作者:仉凤和
论文发表刊物:《基层建设》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/7
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