上海白玉蘭廣場辦公樓超高層空調水立管波紋補償器的計算與設置

吳凌　陳盛

（上海建工一建集團有限公司安裝工程公司，上?！?00437）

上海白玉蘭廣場辦公樓超高層空調水立管波紋補償器的計算與設置

吳凌陳盛

（上海建工一建集團有限公司安裝工程公司，上海200437）

超高層建筑空調水管道井內主立管，由于管件自重、管道內水溫溫差導致的熱脹冷縮、空調水系統的水壓等產生的力，為保證施工的安全性、經濟性、合理性，結合現場的實際情況，通過對其中最不利管路，空調熱水供水管路的管道伸縮及受力分析與計算，并優先采用自然補償，在自然補償不滿足的情況下復核并確定波紋補償器的選型及設置，以保證管道的伸縮量小于所選波紋補償器的額定補償量。

白玉蘭空調熱水管波紋補償器

1　工程概況

上海北外灘白玉蘭廣場項目位于虹口區北外灘沿黃浦江地區，地塊南至東大名路，西毗旅順路，北接東長治路，東臨新建路越江水道。其最高建筑辦公塔樓為目前浦西第一高建筑，地上建筑為66層高達320m，地下建筑高度20.65m。

2　辦公樓空調水立管簡介

位于辦公樓核心筒內空調機房的空調水（四管制）主管井，需安裝服務于辦公樓空調水系統的空調冷凍水供、回水管（最大管徑為DN500，壁厚10mm的無縫鋼管，保溫材料采用閉孔發泡橡塑，機房內保溫厚度為50mm）、空調熱水供、回水管（最大管徑為DN300，壁厚8mm的無縫鋼管，保溫材料及保溫厚度同冷凍水）、用戶伺服機房24h冷凍水供、回水管（最大管徑為DN250，壁厚7mm，保溫材料及保溫厚度同上）。此辦公樓空調水系統分為低區、高區，轉換設備層設置于35/F。其中，低區建筑高度為174.65m，高區建筑高度為136.3m，因此，最長的垂直管道位于辦公樓低區。為保證垂直管道安裝的安全與合理性，我們需要結合現場的實際情況與通過計算來合理的確定補償器的選型及設置。

根據設計要求，空調冷凍水供、回水溫度分別為5.6℃，13.3℃，空調熱水供、回水溫度分別為70℃，55℃，熱水管道的溫差比冷水管道大的多，相應的熱水管道的膨脹量比冷水管道的膨脹量大的多，由此產生的推力比DN500、DN300管徑差別導致的重力對支架的影響大的多，現以低區空調熱水供水管垂直管道為例進行受力分析及計算。

2.1固定點B點的受力分析（見圖一、圖二）

（1）固定點B、C之間管道的熱膨脹量：

△l=αx Lx（t2-t1）=0.012x58.5x56=39.3mm

式中α為管道的線膨脹系數，0.012mm/（m.℃）；L為固定點B、C間管段線長度；t2為設計水溫70℃，t1為管道安裝溫度，取14℃（注：管道試壓調試時間為6月份，考慮上海6月份常年氣溫，大概取中間值14℃）。

所選補償器BGF-300-25，產品波數8波，產品補償量62mm，實際補償量為額定補償量的63%，補償量滿足要求。（注：本項目選用波紋補償器品牌及型號為上海青浦環新減震器廠生產的BGF型不銹鋼波紋補償器，軸向內壓型）

（2）固定點B、C間管段自身重量作用于固定點B點：

FgB=1.2（qx+qw）L+qyx L=1.2x（63.81x9.8+6.83x9.8）x58. 5+76.53x9.8x58.5=92472N

式中qx為管道自重（N/m），qy管道內水重（N/m）、qw管道保溫材料重量（N/m），L為B、C點固定支架間管段線長度（m）。

上述管段自重對于固定點B點的作用力始終是方向向下（如附圖二FgB箭頭所指方向）。

（3）固定點B點管道內壓作用于波紋補償器、彎頭后對固定支架產生的推力FnB。

不同的工況下，內壓產生的對于固定支架的推力也不同，但是主要分為試壓與系統正式運行時兩種受力狀態，因此，需要進行分析這兩種狀態下的最不利的一種狀態。

由于試壓時利用50/F水箱水從高處向管路內進水，根據設計要求試驗壓力為2.5MPa，壓力向下。在系統正式運行時此路管道由設置于B1/F鍋爐房內的循環水泵拉動水循環，循環水泵揚程為32m，壓力向上，同時考慮立管高度產生的靜壓為164.5m，方向向下。上述分析可知，固定點B點在試壓時所承受的內壓產生的推力更大，因此，計算時采用試壓時的推力數據。（注：上述分析不考慮管內的水壓力隨著位置和流量的變化而變化）

FnB=PxAi=2.5x985x100=246250N

式中P為試驗壓力值（2.5MPa），Ai為波紋管有效面積（由樣本查得DN300波紋管有效面積為985cm2）（注：本項目選用波紋補償器品牌及型號為上海青浦環新減震器廠生產的BGF型不銹鋼波紋補償器，軸向內壓型）

（4）波紋補償器的彈性推力對于固定支架的作用：

由于在不同工況切換使用過程中，冷水、熱水會對波紋補償器產生拉伸或壓縮的情況，產生的彈性力對固定支架的作用方向有時向上，有時向下。因此，基于最不利情況來考慮，假定此力對固定支架的作用方向同重力方向，向下作用。

FsB=Kxx△l=175x9.8x39.3=67400N

式中Kx為廠家提資波紋補償器剛度175kg/mm。

根據上述分析，固定點B點所受合力為：

FB=FgB+FnB+FsB=92472+246250+67400=406122N

注：垂直管道滑動支架摩擦力忽略不計

2.2固定點C點的受力分析（見圖一、圖三）

（1）△l=αx Lx（t2-t1）=0.012x49.5x56=33.27mm

所選補償器BGF-300-25，產品波數8波，產品補償量62mm，實際補償量為額定補償量的54%，補償量滿足要求。

（2）FgC=1.2（qx+qw）L+qyxL=1.2x（63.81x9.8+6.83x9.8）x49. 5+76.53x9.8x49.5=78246NN

（3）FnC=Px（Ai-A）=2.5x（985x100-3.14x1502）=69625N

注：固定點C、D前面沒有彎頭或擋板之類，可以看做是一段直管段，因此，只考慮內壓作用于波紋補償器后對于固定支架產生的推力。式中A為管道截面積（mm2）

（4）FsC=Kxx△l=175x9.8x33.27=57058N

根據上述分析，固定點C點所受合力為：

FC=FgC+FnC+FsC=78246+69625+57058=204929N

2.3固定點D點的受力分析（見圖一、圖四）

（1）△l=αx Lx（t2-t1）=0.012x20.51x56=13.78mm

（2）FgD=1.2（qx+qw）L+qyx L=1.2×（63.81x9.8+6.83x9.8）× 20.51+76.53x9.8x20.51=32420N

（3）FnD=PxAi=2.5x985x100=246250N

（4）FsD=Kxx△l=175x9.8x13.78=23632N

根據上述分析，固定點D點所受合力為：

FD=FgD+FnD+FsD=32420+246250+23632=302302N

經上述計算可知，安裝于立管兩端的固定支架受力最大，主要受力為內壓作用于波紋補償器及彎頭后對于固定支架的受力。波紋補償器安裝于立管時，主要受到重力與內壓的作用，對于波紋補償器安裝于固定支架的上方還是下方，對于受力并無大的影響，出于固定支架及補償器施工便利性及試壓、運行過程中便于觀察，建議固定支架安裝高度為1500mm，波紋補償器安裝于靠近固定支架的上方。

2.4波紋補償器的選擇注意事項

波紋補償器的選擇可以根據上述計算的熱膨脹量、荷載數據讓廠家進行選型，根據廠家的資料顯示，疲勞壽命N=1000次，為了延長波紋補償器的使用壽命，選型時可以適當增大額定補償量，使實際補償量控制在額定補償量的70%以內。

2.5立管兩端管段自然補償驗算（見圖五）

空間立體管段的自然補償能力是否滿足要求，可以按照公式DNx△l/（L-U）2≤20.8進行驗算。

式中：DN——管道公稱直徑（mm）；△l——管道三個方向熱伸長量的向量和（cm）；L——管道展開總長度（m）；U——管道兩端固定點之間的直線距離（m）。

上述公式使用條件：①一根管道，管材與管徑一致；②兩端必須是固定點；③中間無限位支架；④無分支管。

各管段熱伸長量為：

△lBA=αx Lx（t2-t1）=0.012x35.9x56=24.125mm=2.412cm；

△lAA1=αx Lx（t2-t1）=0.012x1.5x56=1.008mm=0.1cm；

△lA1A2=αx Lx（t2-t1）=0.012x4.5x56=3.024mm=0.3cm；

△lA2A3=αx Lx（t2-t1）=0.012x0.45x56=0.303mm=0.03cm；

△lA3A4=αx Lx（t2-t1）=0.012x1x56=0.672mm=0.067cm；

管段的三個方向熱伸長量的向量和：

兩固定點A、A 4之間的直線距離U=36.23m；管道展開長度L=43.35m；管道公稱直徑DN=300mm；DNx△l/（L-U）2=300x2. 41/（43.35-36.23）2=14.26≤20.8。所以本段（立管下端）自然補償能力滿足要求。經過計算，立管上端自然補償能力也滿足要求，因此上述兩段無需設置波紋補償器。

經過計算與分析最終確定所有管道所需波紋補償器，并進行材料送審及采購。補償器的正確設置，避免管道熱脹冷縮導致的對管路的破壞。