李 茹 王春艷 王建軍

(1．西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024;2．山東濰坊職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261031)

在供熱管網(wǎng)中由于管道的熱伸長通常要設(shè)置補償器，以降低管道運行時產(chǎn)生的作用力，減少管道應(yīng)力和作用于閥門及支架結(jié)構(gòu)上的作用力，確保管網(wǎng)的穩(wěn)定和安全運行。隨著供熱管網(wǎng)規(guī)模及管徑的逐步加大，新型補償器種類也越來越多，有套筒式補償器、波紋管補償器、球形補償器等。波紋管補償器具有配管簡單、安裝容易、流體阻力小、補償量大、維修管理方便等優(yōu)點，在集中供熱系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 波紋補償器的選擇

波紋管補償器的工作壓力有0．6MPa，1．0MPa，1．6MPa，2．5MPa型，工作溫度在450℃以下，尺寸規(guī)格有DN50～DN2 400等。

波紋管補償器的使用范圍如下:1)變形與位移量大而工作壓力低的大直徑管道。2)需要限制接管荷載的敏感設(shè)備入口管道。3)要求吸收或隔離高頻機械振動的管道。4)考慮吸收地震或地基沉降的管道。

熱力管道設(shè)計中，波紋補償器選型必須考慮的問題如下:1)管道的公稱直徑、補償器的連接形式;2)管道系統(tǒng)的設(shè)計壓力、設(shè)計溫度;3)工作介質(zhì)對波紋補償器材質(zhì)的要求;4)波紋補償器的補償量及疲勞壽命;5)有無承受波紋管內(nèi)壓推力的約束構(gòu)件;6)吸收位移形式。

波紋管補償器通過波紋管、附加的拉桿、鉸鏈等附件與波紋管元件相互組合的方式的不同可分為軸向補償器、角向補償器、復(fù)式拉桿補償器、鉸鏈型補償器等，用以滿足熱力管網(wǎng)的補償。采用角向與復(fù)式拉桿補償器更接近自然補償管系受力形式，可不用考慮內(nèi)壓推力，采用軸向補償器因承受較大內(nèi)壓力，補償量大。選型時一定要選自導(dǎo)向性好，抗失穩(wěn)能力強的補償器。合理的選擇波紋補償器不但有利于管網(wǎng)的正常運行，還可降低工程造價。

2 波紋補償器補償量的計算

首先將熱力管網(wǎng)分成若干形式相對的獨立管段，如直管段、L形管段、I形管段，根據(jù)對應(yīng)管徑的補償器的不同補償量合理的設(shè)置固定支架的位置，再進一步劃分管段，根據(jù)管道的熱膨脹系數(shù)及管段長度、工作溫度計算出分管段間即兩個固定支架間的工作位移量。在進行熱力管道熱補償計算時必須遵照SDG J6火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計算技術(shù)規(guī)定有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。按直管段和彎管段有不同計算公式，直管段補償量由以下公式計算:

式中:ΔL——管段的伸長量，mm;

at——管材在設(shè)計溫度t時熱膨脹系數(shù)，mm/(m·℃);

L——直管段長度;

Δt——熱媒溫度與管道安裝溫度之差，℃。

要準(zhǔn)確計算出該管段的伸長量，設(shè)計補償量要稍大于計算補償量，不要臨近補償器的補償量極限。防止波紋補償器預(yù)拉伸或冷緊后在工作時超過補償量，影響其壽命。補償量一般不超過300 mm，超過300 mm補償器易發(fā)生變形、扭曲，造成波形一側(cè)壓縮，另一側(cè)鼓脹拉平，情況嚴(yán)重可使固定支架發(fā)生扭轉(zhuǎn)，引起管系破壞。

3 波紋補償器的布置

熱網(wǎng)補償器的布置:按照通常做法，軸向型波紋補償器均布置在緊靠固定支架旁，然后緊接兩個導(dǎo)向支架，距離分別為4D，14D，主要防止其軸向失穩(wěn)，熱水直埋管主要靠與保溫材料形成整體由土壤、砂層控制。管道受熱伸長時對固定支架有一定的推力，設(shè)計時要根據(jù)推力的大小合理的確定固定支架。在實際設(shè)計中，根據(jù)管網(wǎng)的具體情況劃分管段選取補償器，分支多的管網(wǎng)盡量選取補償量較小的補償器，減少對分支管段的應(yīng)力。分支少的管網(wǎng)盡量選取補償量較大的補償器，減少管網(wǎng)中固定支座的布置，也可減少補償器失效問題帶來的檢修。設(shè)計中補償器處一般不設(shè)檢查井，最好不并排布置，加大補償器間距，盡量采用直埋的敷設(shè)方式，以減少補償器的腐蝕。

支架的正確設(shè)置是補償器正常運行的決定性因素，導(dǎo)向支架要有防止補償器失穩(wěn)的措施，以減少試壓時熱網(wǎng)可能出現(xiàn)管線推倒、波紋管被拉直破壞的破壞性失穩(wěn)，從而延長補償器壽命。支架設(shè)置如圖1所示。

圖1 波紋管膨脹節(jié)安裝示意圖

其中，E為管子彈性模量，MPa;Lmax為最大導(dǎo)向間距，m;J為管子斷面慣性矩，cm4;p為工作壓力，MPa;A為補償器剛度，N/mm;δ為最大補償量，mm;K為安全系數(shù)，一般取K=1．2～1．3。

4 波紋補償器的安裝

波紋補償器安裝前應(yīng)先查看設(shè)計圖紙，核對補償器的型號、規(guī)格及管道的支座配置。補償器不能承重，不能與管道焊接后一齊吊裝，應(yīng)單獨吊裝。軸向波紋補償器管壁較薄，抗扭矩能力差、易失穩(wěn)，為了保證補償器的同軸度，避免偏向力對補償器產(chǎn)生的扭矩，在安裝過程中先將管道敷設(shè)好，在安裝補償器的位置上切去補償器所需長度，再將其裝好。除設(shè)計要求預(yù)拉伸或冷緊的預(yù)變形量外，嚴(yán)禁使用波紋補償器變形的方法來調(diào)整管道的安裝偏差，影響補償器的正常功能，降低使用壽命。安裝過程焊渣不能飛濺到波紋補償器表面，不能使其受到機械性損傷，波紋補償器所有活動元件不能被外部構(gòu)件卡死，要保證其有正常工作的空間，如果一個或數(shù)個波紋管不能自由移動，無法參與補償，參與補償?shù)牟y管很快會因過度疲勞導(dǎo)致失效。對帶內(nèi)襯筒的波紋補償器注意使內(nèi)襯筒的方向與介質(zhì)流動方向一致，平面角向型波紋補償器的鉸鏈轉(zhuǎn)動平面與位移平面一致。

5 波紋補償器失效的原因

波紋補償器失效主要因為熱網(wǎng)破壞失穩(wěn)和腐蝕。防止熱網(wǎng)破壞失穩(wěn)主要是在設(shè)計中合理布置固定支架的位置和導(dǎo)向支架的間距，施工中波紋補償器安裝規(guī)范，減少補償器的平面失穩(wěn)和柱失穩(wěn)。平面失穩(wěn)是由于波紋補償器在內(nèi)壓產(chǎn)生的子午向彎曲應(yīng)力和周向膜應(yīng)力的合力作用下，處于壓縮狀態(tài)而發(fā)生塑性變形，表現(xiàn)為一個或幾個波紋平面相對于補償器軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動而傾斜。柱失穩(wěn)指波紋補償器因總厚度不夠，難以抵御試驗壓力或運行壓力，波紋管波數(shù)過多及波紋管同軸度偏差大等而產(chǎn)生的。波紋連接發(fā)生橫向偏移，使實際軸線呈弧形或呈S形。平面失穩(wěn)或柱失穩(wěn)得不到控制，易導(dǎo)致膨脹節(jié)很快疲勞斷裂。

波紋補償器被腐蝕的具體形式有點蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞造成的開裂。波紋管在運行中發(fā)生壓縮或拉伸，其波峰和波谷上都產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，同時其內(nèi)部和外部環(huán)境中存在有腐蝕介質(zhì)Cl離子和S離子，兩者的復(fù)合作用達到一定程度時，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。反應(yīng)式如下:

波紋管補償器腐蝕嚴(yán)重時，除外表面有大片的點蝕坑外，在波峰上有表面裂紋和穿透裂紋，裂紋處有溢出的白狀物質(zhì)和黑銹，由外層向內(nèi)層逐漸腐蝕。所以要定期檢查管網(wǎng)內(nèi)水質(zhì)，嚴(yán)格控制水質(zhì)中的Cl，S離子含量以減少波紋補償器的失效。在波紋補償器失效后通常用包覆的辦法就地搶修波紋補償器，熱網(wǎng)可以不停用，確保了熱網(wǎng)的安全運行。

6 結(jié)語

由于波紋補償器是熱網(wǎng)管道的關(guān)鍵組件，在熱網(wǎng)的使用量也越來越大，所以首先在設(shè)計中要對波紋補償器的種類、性能、特點充分掌握，以及準(zhǔn)確的計算補償量，選擇合適的補償器，合理的確定固定支架的位置并對其進行應(yīng)力分析。在施工中嚴(yán)格按照施工規(guī)范執(zhí)行，確保波紋補償器安裝正確。要加強熱網(wǎng)的運行與管理，定期檢查管網(wǎng)水質(zhì)，才能確保管網(wǎng)的正常使用。

［1］邱廣濤，楊知我，豐艷春．波紋膨脹節(jié)失效因素與預(yù)防［J］．管道技術(shù)與設(shè)備，2001(5):14-16．

［2］龍 躍．熱力管道波紋補償器的設(shè)計選用淺析［J］．中國水運，2011(3):96-98．