談波紋補償器在供熱管網中應用

李 茹 王春艷 王建軍

(1．西北核技術研究所，陜西 西安 710024;2．山東濰坊職業(yè)學院，山東 濰坊 261031)

在供熱管網中由于管道的熱伸長通常要設置補償器，以降低管道運行時產生的作用力，減少管道應力和作用于閥門及支架結構上的作用力，確保管網的穩(wěn)定和安全運行。隨著供熱管網規(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)的設計壓力、設計溫度;3)工作介質對波紋補償器材質的要求;4)波紋補償器的補償量及疲勞壽命;5)有無承受波紋管內壓推力的約束構件;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、復式拉桿補償器、鉸鏈型補償器等，用以滿足熱力管網的補償。采用角向與復式拉桿補償器更接近自然補償管系受力形式，可不用考慮內壓推力，采用軸向補償器因承受較大內壓力，補償量大。選型時一定要選自導向性好，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，根據對應管徑的補償器的不同補償量合理的設置固定支架的位置，再進一步劃分管段，根據管道的熱膨脹系數(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)電廠汽水管道應力計算技術規(guī)定有關規(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，℃。

要準確計算出該管段的伸長量，設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，造成波形一側壓縮，另一側鼓脹拉平，情況嚴重可使固定支架發(fā)生扭轉，引起管系破壞。

3 波紋補償器的布置

熱網補償器的布置: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，設計時要根據推力的大小合理的確定固定支架。在實際設計中，根據管網的具體情況劃分管段選取補償器，分支多的管網盡量選取補償量較小的補償器，減少對分支管段的應力。分支少的管網盡量選取補償量較大的補償器，減少管網中固定支座的布置，也可減少補償器失效問題帶來的檢修。設計中補償器處一般不設檢查井，最好不并排布置，加大補償器間距，盡量采用直埋的敷設方式，以減少補償器的腐蝕。

支架的正確設置是補償器正常運行的決定性因素，導向支架要有防止補償器失穩(wěn)的措施，以減少試壓時熱網可能出現(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先查看設計圖紙，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生的扭矩，在安裝過程中先將管道敷設好，在安裝補償器的位置上切去補償器所需長度，再將其裝好。除設計要求預拉伸或冷緊的預變形量外，嚴禁使用波紋補償器變形的方法來調整管道的安裝偏差，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致失效。對帶內襯筒的波紋補償器注意使內襯筒的方向與介質流動方向一致，平面角向型波紋補償器的鉸鏈轉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破壞失穩(wěn)和腐蝕。防止熱網破壞失穩(wěn)主要是在設計中合理布置固定支架的位置和導向支架的間距，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壓產生的子午向彎曲應力和周向膜應力的合力作用下，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生了較大的應力，同時其內部和外部環(huán)境中存在有腐蝕介質Cl離子和S離子，兩者的復合作用達到一定程度時，產生應力腐蝕。反應式如下:

波紋管補償器腐蝕嚴重時，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和黑銹，由外層向內層逐漸腐蝕。所以要定期檢查管網內水質，嚴格控制水質中的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，熱網可以不停用，確保了熱網的安全運行。

6 結語

由于波紋補償器是熱網管道的關鍵組件，在熱網的使用量也越來越大，所以首先在設計中要對波紋補償器的種類、性能、特點充分掌握，以及準確的計算補償量，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力分析。在施工中嚴格按照施工規(guī)范執(zhí)行，確保波紋補償器安裝正確。要加強熱網的運行與管理，定期檢查管網水質，才能確保管網的正常使用。

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

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