管廊內熱力和空調管道支架研究

陳贇，朱璇

（1.蘇州泰盛新綠節能環保科技有限公司，江蘇 太倉215400；2.中國中元國際工程有限公司能源中心，北京100089）

1 引言

綜合管廊由于能避免敷設和維修地下管線時對交通和居民出行造成影響和干擾，便于各種管線的敷設、增減、維修和日常管理，有效利用道路下的空間，節約城市用地等顯而易見的優點，近年來在城市建設中被廣泛運用。

管廊內熱力和空調管道支吊架是管道系統中的一個重要組成部分，它對管道起著支撐重量、平衡介質反力、限制位移和防止振動的作用。

管廊內的熱力和空調管道由于其輸送的冷熱介質的溫度與管廊環境溫度有很大差異，為減少管內熱量/冷量的散失，保證溫度設計參數的穩定，保證操作人員安全，防止管道外表面結露，管廊內的熱力和空調管道采用絕熱型支架是必要的。

2 管廊內熱力和空調管道支吊架

2.1 固定支架

固定支架是對管道系統進行分段設計的關鍵節點。相鄰2個固定支架之間的管道構成一個單獨的設計管段。這個管段上波紋補償器的彈性力和盲板力、套筒補償器的摩擦力、自然補償管道的彈性力、管道熱脹冷縮移動時與支架之間的摩擦力均要經固定支架傳向管廊結構。

合理確定固定支架位置和間距是確保管系安全運行的關鍵，也影響著整個工程的經濟性，主要影響因素有下列3 點：

1）管道最大熱伸長量不超過補償器所允許的補償量；

2）固定支架受到的最大荷載不超過管廊的承載能力；

3）管道受軸向壓力時不會出現彎曲失穩。

2.2 滑動支架

滑動支架保護管道在伸縮過程中不會受損，要從強度和剛度2 個條件決定支架間距。

滑動支架的摩擦系數是影響設計的重要因素。鋼支架在鋼墊板上滑動時摩擦系數大于0.3。若在支架下加圓形滾子，滑動摩擦系數會大大降低，但缺乏維護造成嚴重銹蝕后，阻力會變大。支架下采用鏡面不銹鋼和聚四氟乙烯板組成的滑動摩擦副，在相對滑動過程中，聚四氟乙烯會轉移到不銹鋼的表面微槽中，因而滑動摩擦系數小于0.1。若能在滑動面間加注硅脂，滑動摩擦系數會小于0.05。低的滑動阻力能大大降低管道對固定支架處的推力。

2.3 導向支架

導向支架只允許被支撐管道在軸向移動，而不發生側向滑移。在波紋補償器和套筒補償器的自由端都必須要設3 道導向支架。在長直管段連續設置的滑動支架中，也要適當布置導向支架，防止直管段受軸向力側向失穩。

導向支架的結構與滑動支架相似，僅在滑動支架固定底板的兩側焊接導向角鋼，夾住滑動支架，兩側僅留2～3mm 間隙。這種結構能承擔垂直載荷一半的側向載荷。若工程設計需較大的側向力時，要增加防側翻的措施。

2.4 彈簧支吊架

對垂直走向的熱力或空調管道應設彈簧支吊架，讓其中的圓柱螺旋壓縮彈簧引起的高度變化去補償支吊架處的熱位移。彈簧高度變化必然改變承載的載荷，有關國內外管道支吊架的標準均規定，彈簧支吊架的載荷變化率不大于25%。但為了降低圓柱螺旋彈簧的高度，適應管廊的窄小空間，針對熱力和空調管道宜將允許載荷變化率放寬至35%。

國家能源局發布的NB/T 41039—2013《可變彈簧支吊架》[1]，雖然版本多次修訂，但技術參數和產品結構并無大的變化，已在電力、化工等工程使用了30 余年。承載的核心部件是圓柱螺旋壓縮彈簧，彈簧的料徑和中徑按最大承載從255～217384N分成25 級規格，每種規格彈簧的工作圈或自由高度按最大位移（不是最大變形）又分為30mm、60mm、90mm 和120mm 4級。彈簧支吊架的殼體及與建筑結構的連接方式按吊架分為A、B、C、D、E 和G 6 種，支架分為F1 和F2（帶滾子）2 種。

從NB/T 41039—2013《可變彈簧支吊架》表2“可變彈簧支吊架載荷位移選用表”可查取需用彈簧支吊架的規格編號。規格編號應按式（1）、式（2）復核：

式中，Δ 為管道垂直熱位移，mm；p'為彈簧剛度，N/mm；P為工作載荷，N。

為適應管廊內窄小的空間，可請彈簧支吊架制造商進行非標設計和制造。

3 管廊內熱力和空調管道絕熱支架

3.1 絕熱塊

管廊內敷設的熱力和空調管道應采取優良的絕熱措施，降低管道的能耗，改善管廊內運行環境。管道散熱或失冷大部分是在管道本體發生。選用優良的隔熱保冷材料和施工技術可大大降低這部分損失。但鋼管與鋼支座直接接觸發生的損失不可忽視。這部分損失有時高達全部損失的1/3，甚至引起冷管道凝露。降低這項損失的方法是在鋼管和鋼支座之間襯墊高強度低導熱系數的非金屬絕熱塊。過去曾選用木塊，但木塊易燃，受潮易腐，應用效果不佳。目前工程上采用的絕熱塊材料性能見表1。

表1 絕熱塊性能

JG/T 202—2007《工程管道用聚氨酯、蛭石絕熱材料支吊架》[2]是目前實施的絕熱支架標準，其中列出了硬質發泡聚氨酯絕熱支撐件和膨脹蛭石基絕熱支撐件2 種絕熱塊的要求。

由于管道是圓截面，因此，絕熱塊基本形狀為半圓環組合或扇形分瓣組合。單層徑向厚度不宜超過80mm，對合面上設凹凸企口，可增大熱損的阻力。

3.2 絕熱型固定支架

絕熱型固定支架的結構如圖1 所示。

圖1 絕熱型固定支架圖

承力環或承力輪焊接在管道上，焊縫尺寸應足以傳遞軸向載荷。承力環或承力輪兩側為絕熱塊，絕熱塊再被上下管夾上的扇形板夾住。上下管夾的側法蘭用螺栓夾緊，但這些螺栓不能將上管夾受到的管道軸向力傳到下管夾的側法蘭。因而下管夾側法蘭的四角焊有角鋼，上管夾的側法蘭正好卡入，這就將上管夾受到的管道軸向力傳到下法蘭，再經下管夾和支架將全部軸向載荷傳到管廊基礎。

通過管道應力計算得到的數據看，固定支架上會有垂直、側向和軸向3 個方向荷載，有時候還會有水平彎曲、垂直彎曲和繞管軸線扭轉3 個力矩。

絕熱型固定支架在管道（包括焊在上面的承力環或承力輪）與管夾和扇形板之間夾了抗壓強度遠低于鋼材的非金屬環狀絕熱塊，通過承壓應力計算，它能承受垂直、側向和軸向3個方向的荷載。但水平彎曲和垂直彎曲力矩會在絕熱塊上產生很大的擠壓應力，而繞管軸線的扭矩無法在絕熱環上得到平衡。因此，這3 個力矩應選擇采取工程措施消納，如借助相鄰支架形成的支反力偶來平衡，而不能作用在絕熱固定支架上，以免造成固定支架的破壞。

3.3 絕熱型滑動支架和導向支架

滑動支架和導向支架均要承擔管道在該支架處的全部垂直荷載和側向荷載，絕熱塊的軸向寬度應保證絕熱塊上的平均壓應力有一定的安全裕度。絕熱塊的徑向厚度應滿足管道隔熱保冷的要求；絕熱塊的外表面溫度不能高于防燙傷的60℃；保冷時外表面在高濕度季節不出現凝露。絕熱型滑動支架一般應在軸向設2 個絕熱支承圈，底部是滑動底座（見圖2）。

圖2 絕熱型滑動支架圖

管道從安裝態（或停運態）到穩定運行狀態，絕熱支架在底面聚四氟乙烯片上的傳力點從右端移到左端，每一端的絕熱支承圈幾乎要承擔該支架的全部荷載。滑動底座則要滿足集中荷載在中央的簡支梁的強度要求：滑動底板對的軸向長度應有足夠的尺寸。

圖2 中的滑動量ΔL可按式（3）計算：

式中，α 為鋼管的線膨脹系數，可取1.2×10-5℃-1；t1為管內介質最高或最低溫度；t2為管廊內的最低（熱管道）或最高（冷管道）環境溫度；L為該支架離固定支架的距離。

以固定支架為起點，滑動支架和導向支架的滑移量隨離固定支架的距離而遞增，滑動底板的長度也遞增。為了節省投資，可將滑動底板的長度按ΔLmax分成1/3、2/3 和3/3 制造。離固定支架很近、滑移量很小的滑動支架也可采用單絕熱支承圈的支架。若要采取這種節約的方式，則在安裝時一定要確保正確的支架安裝位置。

4 支架的安裝和運行檢查

4.1 支架的安裝

熱力和空調管道能長久安全運行，除了要控制各類支架與絕熱塊的制造質量，安裝質量也很重要。

固定支架是通過焊縫將管道載荷傳向管廊結構，焊縫尺寸和焊接質量要檢驗合格后才能進入組裝連接。

滑動支架和導向支架的位置需準確，滑動方向不能裝反，滑動量宜逐個檢查。

要做好支架絕熱塊和管道隔熱保冷層的結合措施，防止從接縫處散熱或失冷。

4.2 支架的運行檢查

應定期對管廊內熱力和空調管道的支架進行檢查。主要檢查固定支架處管道是否有明顯竄動、支架變形或焊縫開裂；滑動支架和導向支架的滑動有否受阻。若是管道在絕熱支架中明顯下沉則是絕熱塊有損壞。檢查結果要做好記錄和現場標記，分析故障原因，并及時維修。

5 結語

綜合管廊內熱力和空調管道各類支架的正確運用，能改善管道應力分布，確保管道安全運行，延長管道使用壽命。絕熱支架的運用能穩定供能參數，起到節能環保的作用。