供熱管線熱應力與熱補償技術探討

張俊嶺

摘要:本文分析了供熱管道熱應力的危害性，介紹了熱補償的各種方式和其優缺點，為補償器的選擇提供了依據。

關鍵詞:供熱管線熱應力布置類型敷設方式

供熱管道通常都采用鋼管。鋼管工作時其長度變化不妥善解決，將引起熱應力。熱應力會引起管道變形，管道接口或管道與設備連接處漏水；在蒸汽或高溫水為熱媒時，嚴重時甚至會破壞管道系統。

1.熱應力計算

1.1管道受熱（冷）的自由伸長量可按下式計算：

計算管道熱伸長量，是為了確定補償器的所需補償量，或驗算管道因熱伸長而產生的壓縮應力，所以對于管道的熱伸長量應計算其最大值，即取冷態安裝條件的最低溫度和熱態運行條件的最高溫度之間的最大溫差。由于管線安裝的氣候條件差異很大，因此t2不應有統一的取值，應根據當時的氣候條件和施工環境，確定適當的管道安裝溫度。

1.2供熱管道熱應力驗算與控制

為了防止供熱管道升溫時，由于熱伸長或溫度應力的作用而引起鋼管變形或破壞，需要在管道上設置補償器，以補償管道的熱伸長，從而減小管壁的應力或作用在閥件支架結構上的作用力。在熱力管線敷設中，補償器是保證管道安全運行的重要部件。

補償器在內壓作用下的失穩包括兩種情況，即平面失穩和軸向柱狀失穩。

1.2.1平面失穩表現為一個或幾個波紋的平面相對于波紋管軸線發生轉動而傾斜，但其波平面的圓心基本在波紋管的軸線上。這是由于內壓產生的子午向彎曲應力和周向薄膜應力的合力超過材料屈服強度，局部出現塑性變形所致。

1.2.2柱失穩波紋管的波紋連續地橫向偏移，使波紋管偏移后的實際軸線成弧形或S形（在多波情況下呈S形）。這種情況多數是因為波紋數太多，波紋管有效長度L跟內徑d之比（L/d）太大造成的。為避免失穩情況發生，對管道應進行應力驗算。

管道在工作狀態下，由內壓產生的折算應力按下式計算：

σeq＝P[0.5do－Y(s－α)]/ s－α≤[σ]t MPa

P－敷設壓力MPa do－管線外徑mm s－管線敷設壁厚mmα－腐蝕裕量mm

Y－溫度對計算管線壁厚的修正系數

[σ]t－敷設溫度下的許用應力 Mpa

2.熱補償器的選擇

供熱管道采用的補償器種類很多，主要有管道的自然補償器、方形補償器、波紋管補償器、套筒式補償器和球形補償器等。前三種是利用補償材料的變形來吸收熱伸長；后兩種是利用管道的位移來吸收熱伸長。自然補償是一種最簡便最經濟的補償方式，應充分加以利用。

2.1自然補償器和方形補償器

自然補償器是利用管道自然轉彎構成的幾何形狀所具有的彈性來補償管道的熱膨脹。常見的自然補償器有L形、Z形自然補償器。如圖

方形補償器通常是由四個90度無縫鋼管煨彎或機制彎頭構成的U型補償器，依靠彎管的變形來補償管段的熱伸長。

方形補償器制造安裝方便，不需要經常維修，補償能力大，作用在固定點上的推力（即補償器的彈性力）較小，可用于各種壓力和溫度條件。缺點是補償器外形尺寸大，占地面積多。為了提高方形補償器的補償能力（或減少其位移量），施工之前常采用預先冷拉的辦法，一般預拉伸量為管道伸長量的50%，在極限情況下，其補償能力可比無預拉時提高一倍。

a圖:管井內管道很長時，可在某一層管井中將其拐彎形成一個方形補償器；

b圖：沿墻敷設的直管段在穿過墻時設補償器；

c圖：沿柱敷設的管道繞柱設方形補償器。

水平單管采暖系統每5~6組散熱器的水平支管上以及高層建筑的采暖立管上要設方形補償器或乙字彎形狀的管道。需要設置補償器的直管段長度可查文獻。

2.2套筒式補償器

套筒補償器是由填料密封的套管和外殼管組成的，兩者同心套裝并可軸向補償。

當管道溫度變化時，芯管可在外殼管內移動進行熱補償。填料圈被壓蘭壓緊在內外管之間其密封作用，但同時也增加了泄漏點。使用幾年后填料性能變化每隔一定時間要進行更換。其特點是補償能力大，一般可達250~400mm,占地小，介質流動阻力小，造價低。

適用于工作壓力小于或等于1.6MPa，工作溫度低于300℃的直線管路上，多用于管井、管溝中，補償器與管道采用焊接連接。

2.3波紋管補償器

波紋管補償器是用不銹鋼制成的、由多個連續波狀管組成的補償器，靠改變波的形狀起補償作用。其特點是體積小，重量輕，但其補償能力小，價格也較高。適用于安裝在直線管段上。

波紋管補償器以其體積小、重量輕、節省鋼材、占地面積小、流動阻力小、不易滲漏，已開始占有舉足輕重的地位，而且很有發展前景。目前波紋管制造突破了傳統的材料和工藝，采用高彈性金屬管經滾壓一次成型，并采用多層金屬結構，從而提高了其補償能力和承壓能力，應用新技術制造的波紋管補償為其在熱力管線中的應用提供了可靠的保證。

波紋管補償器根據位移形式可基本分為軸向、橫向、角向三類，每一類都有各自的優點和缺點，所以必須根據不同的使用條件，恰當地選用才能使波紋補償器正常工作，做到波紋補償器敷設選型經濟、合理。

常用的軸向波紋管補償器通常都作為標準的管配件，用法蘭或焊接的形式與管道連接。為了保證套筒補償器與波紋管補償器沿軸向補償和直線位移，它們應靠近固定支架安裝，必要時還應設導向支架，以控制橫向位移，防止失去效能。

2.4球形補償器

它是靠一組兩個或三個球形接頭的靈活轉動及其所構成的

相應角度變化來補償管道的膨脹。

特點：具有很好的耐壓和耐溫性能，能適應230℃的高溫和4105Pa的壓力，使用壽命長，運行可靠，占地面積小，基本上無需維修，補償能力大。工作時變形應力小，減少了對支座的要求。適用于架空管道上。

3.結束語

熱力管線工程運行是否正常直接關系到居民生活質量，在敷設過程中應遵循技術先進、經濟合理、安全適用的原則，作為一項系統工程，從管線的敷設到管道的制造、安裝及管線的啟動運行，每個環節都直接影響著工程的成敗。而一項好的敷設可以使產品的性能得以充分發揮，可以最大限度地減少施工中的困難，降低工程造價。因此，我們的敷設一定要做到嚴謹合理，為工程的成功提供可靠的前提保證，如若不然，不僅增加工程造價，同時還由于敷設不當而削弱了熱力管線運行的安全性和可靠性。

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