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摘要：城市集中供热管线中，采用波纹管补偿器实现热补偿，是一种经济可行的方法，但具体应用时要充分考虑工程的实际情况，选择合适的补偿器才能达到预期的效果。据此，本文主要对波纹管膨胀节在热力管道中的应用进行了详细分析。
关键词：波纹管；膨胀节；热力管道；应用
一、波纹管膨胀节的种类
波纹管膨胀节可从材质上分为金属波纹管膨胀节和非金属波纹管膨胀节。型式上可分为单式轴向型膨胀节、单式铰链型膨胀节、单式万向铰链型膨胀节、复式自由型膨胀节、复式拉杆型膨胀节、复式铰链型膨胀节、复式万向铰链型膨胀节、弯管压力平衡型膨胀节、直管压力平衡型膨胀节、旁通直管压力平衡型膨胀节、外压轴向型膨胀节。
二、波纹管膨胀节中单波吸收热位移能力是相同的
虽然理论上增加波的个数可大幅提高波纹管膨胀节的吸收能力，但波的个数增加容易产生失稳，这种方式并不可行。吸收横向位移量较大的位置应考虑选择复式自由型膨胀节，其总长度可与单式轴向型波纹管相同，只需增加两波间直管段长度即可大幅提高横向补偿量。
波纹管通变形来吸收管道的热位移，刚度必然很小，系统加压时波纹管不能承受管道的纵向应力，根据GB/T12777可知波纹管产生压力推力的大小。由单式轴向型与复式自由型膨胀节的结构可知，轴向止推架上的水平推力为管道摩擦力，膨胀节压力推力与膨胀节弹性力的和。由于拉杆型膨胀节压力推力会由拉杆吸收，铰链型膨胀节压力推力会由铰链吸收，故作用在轴向止推架上的水平推力只为管道摩擦力与膨胀节弹性力的和。经计算DN1200波纹管的释放的压力推力为23KN，吸收100mm轴向热位移产生的弹性力为33KN，这种附加力无疑是巨大的。故在使用波纹管膨胀节时一定要注意水平推力对结构专业的影响，保证膨胀节在使用中的可行性。
三、现状分析
河堤两端的固定支座焊接件亦有部分被拉裂、拉开现象。经分析造成问题的原因有3个：一是膨胀节在安装前未按设计要求进行预拉伸；二是膨胀节全采用单一的轴向型不合适；三是对固定支座的推力计算显薄弱。
鉴于此，决定对该段管系重新分段计算选型，将管系分成几段相对简单的单独管段，根据这些相对简单的管段来确定管系的相对位移，选择合适的膨胀节，并对固定支座推力进行复核修正。河堤两端的管线是由中支架架空到上河堤沿河坝架空后再进入埋地的连接部位，此两处管线呈“Z”型弯和“L”型弯，实践证明原选轴向型膨胀节不能吸收管段的横向、角向位移，造成了膨胀节变形，再由于敷设在河坝上的固定支架受原始条件制约体积不能太大。
“Z”型弯处如果改为小拉杆膨胀节，虽然可以吸收以上位移，但不能解决管道固定支架受盲板力作用的问题，势必造成固定支架体积过大。因此只有选铰链型膨胀节才能解决上述问题。经计算后在管线上河坝处“Z”型弯的水平管段上设置了3组铰链型膨胀节，利用原有的滑动支架改为导向支架。由于避免了管道固定支架受盲板力的作用，原固定支架无需加强。虽然根据两个方向的位移量和位移轨迹计算选型比较复杂，但铰链型膨胀节体积小，长度短，重量轻，应用灵活，价格比较便宜，最主要的是改善了管道的负荷分布。由架空至埋地“L”型弯处，更换了一组小拉杆型膨胀节，并对原固定支架做了适当地加强。另有两处管线缓弯处有很小的横向位移，经计算后也更换为小拉杆型膨胀节。
除此之外对整个架空管线的固定支架与支座焊接件的强度予以复核调整。该工程经过3个采暖期的运行，特别是河堤敷设段管线运行平稳，膨胀节吸收热位移良好，各固定支架支座均无出现拉开拉裂现象，管线无变形，使用效果良好，达到了设计预期的目的。
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四、波纹管膨胀节在热力管道中的应用
（一）正确选择膨胀节型号
膨胀节的种类很多，常用的膨胀节一般可分为约束型和非约束型两大类，约束型膨胀节所产生的盲板力由其自身带有的约束构件所承受，其管系上不需要设主固定支架。非约束型膨胀节的轴向力是由管路的固定支架来承担，故必须设主固定支架。通用型、轴向型、小拉杆横向型膨胀节为非约束型，大拉杆横向型、铰链型、万向铰链型膨胀节为约束型。
轴向型膨胀节用以吸收轴向位移，大拉杆横向型膨胀节吸收垂直于膨胀节轴向的横向位移，小拉杆横向型膨胀节适合横向位移，也可以吸收轴向、角向和任意3个位移的组合，铰链膨胀节以2或3个配套使用，可以吸收单平面一个方向或多个方向的位移。膨胀节的选型应与管系设计同步进行。根据各工程特点，其选型原则一般可为：变复杂管系为典型管段。可通过固定支架将其分解为“-”、“L”、“II”、“Z”等典型膨胀管段；根据典型管线工作条件和膨胀形式选择相应的膨胀节；根据膨胀节的变形轨迹设置相应的导向支架；闪根据膨胀节有无盲板力约束构件，考虑主固定支架的设置；根据膨胀节在规定的疲劳寿命下的最大补偿量，考虑膨胀节数量。
由于管系的补偿有多种方案可供选择，选型时应将管线的走向、支撑体系的布局、膨胀节的使用要求等予以综合考虑。通常，使用膨胀节的一般要求是：在直线管道上，任何两个相邻的固定支架之间一般只设置一个膨胀节，如果设置两个以上的膨胀节，有可能会因各膨胀节刚度不完全相同或各导向支架摩擦力的不同而导致各膨胀节负荷不均。各类固定支架要有足够的刚度和强度，各类导向支架、弹簧吊架要适应膨胀节位移形式的要求。任何两个相邻的次固定支架之间的管径必须相同，而且还要保持直线走向，防止次固定支架承受附加的“盲板力”。
（二）膨胀节施工安装注意事项
膨胀节具有优良的柔性，用于吸收热膨胀产生的位移和吸收设备产生的振动时，具有优良的性能。但是正因为具有优良的柔性，如果安装不当，不仅不能发挥其优良性能，而且容易产生破坏。故在施工安装中尽可能注意以下三点：
首先，膨胀节的预变形。膨胀节在出厂前厂家对只吸收轴向位移的膨胀节进行了预变形处理或给出了预变形量，但是对于吸收侧向位移或角位移的膨胀节，不能在膨胀节中进行预变形，必须在配管中进行预变形。因此在膨胀节安装前首先确定不同型号、不同种类的膨胀节是否要进行预变形，对于要进行预变形的膨胀节应严格按生产厂家给出的预变形量进行处理。
其次，安装膨胀节时，应根据当时环境温度、工作温度的差异，对膨胀节进行合理的预拉伸或压缩，使膨胀节在正常工作情况下处于最佳设计状态，保证最佳性能，同时也是降低膨胀节变形弹性力的有效办法。膨胀节安装时应保证安装质量，不允许以膨胀节的变形来强行适应管道的安装偏差。
再次，严格掌握固定支架受力计算。固定支架一般由主固定支架和次固定支架组成。主固定支架：管系安装一个或几个不吸收压力产生推力的普通膨胀节、带短拉杆的复式万能膨胀节等时，在管系的端点、分支点、弯曲点、安装阀门或盲板处应设置主固定支架。主固定支架要承受内压和介质流动所产生的推力，以及膨胀节位移产生的力和力矩、导向支架和滑动支架等产生的摩擦力。在某些场合下还要考虑管道、管路附件、保温材料和介质的重量，以及风荷载、管段弯曲等所产生的力和力矩。次固定支架：管系安装带长拉杆的复式万能膨胀节、铰链彭胀节和压力平衡膨胀节时，内压产生的推力由拉杆或铰链销支承。这时可设置次固定支架，它承受除内压产生的推力以外的荷载。
结语
总而言之，由于管道布置千变万化，膨胀节选用不仅要考虑管道热位移的吸收结构支架的设置，还应考虑在不同操作工况检修状态下都能够满足要求。
参考文献:
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[4]程永新.波纹管膨胀节在热管道中破损原因分析及解决办法[J].电力建设，2011，32(12):76-78.
论文作者:王超
论文发表刊物:《电力设备》2019年第1期
论文发表时间:2019/6/21
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