淺析補償器的應用設置

暴利超

北京信誠百年工程技術有限公司，中國·北京 100010

1 引言

無論是供暖管道，還是供冷管道。只要有溫度變化引起的管道長度和應力變化，就應該進行補償。只是相對于供冷管道，供熱管道的溫差大，管道長度和應力變化更大。

暖通空調的管道也同大多數物質一樣，在溫度變化時會發生熱脹冷縮變形，這是一種自然的物理現象。如果管道變形受到約束，可能就會破壞管道的支架或者管道本身。因此，在設計時必須考慮管道的補償。

管道補償分自然補償和補償器補償。管道的溫度變形應充分利用管道的轉角管段進行自然補償，當管道利用自然補償不能滿足要求時，應設置補償器[1]。

補償器屬于一種補償元件，利用其工作主體波紋管的有效伸縮變形，以吸收管線、導管、容器等由熱脹冷縮等原因而產生的尺寸變化，或補償管線、導管、容器等的軸向、橫向和角向位移，也可用于降噪減振，在現代工業中用途廣泛。供熱上，為了防止供熱管道升溫時，由于熱伸長或溫度應力而引起管道變形或破壞，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和作用在閥件或支架結構上的作用力。

2 補償器的工作原理

管道活動端伸縮量應按下式計算：

ΔL=α(t1-t2)L×1000

式中：ΔL——管段的熱伸長量，mm；α——鋼材的線膨脹系數，m/(m·℃)；t1——管道工作循環最高溫度，℃；t2——管道安裝溫度或工作循環最低溫度，℃；L——設計布置的管段長度，m。

管道在施工安裝時的溫度和投入使用以后的溫度不同。通常管道系統投入使用后在設計工況水溫下工作，也有些空調系統的管道在冬季和夏季設計工況的使用溫度是不同的。在夏季和在冬季管道施工安裝時的環境溫度也不相同，所以管道從施工安裝到系統投入使用，其受溫度變化影響的變形量也是變化的。其最大變形量對應的變化溫差應該是從施工安裝到管道系統投入使用過程中最高溫度與最低溫度之差。由于我們并不能事先準確知道施工安裝的時間，它可能是工程所在地的最高溫度，也可能是最低溫度[2]。

3 補償器的主要類型

3.1 套筒式補償器

套筒補償器是城鎮供熱管網常用的補償器，它的優點是補償能力大（一般可達250～400mm），占地面積小，流體阻力小，對固定支架的作用力小，安裝方便，造價低。缺點是工作壓力高時容易漏水或漏氣，維修工作量大，需要經常檢修、更換填料，適用于工作壓力1.6MPa以下的直線管段，且需要設固定支架。

3.2 波紋管補償器

占地面積小、流動阻力小、配管簡單、安裝方便、維修管理方便。缺點是造價較高。管道上還應安裝防止波紋管失穩的導向支座。設計時應考慮安裝時的冷緊，冷緊系數一般取0.5[3]。

3.3 方形補償器

制造方便、工作可靠、不用專門維修、軸向推力較小。缺點是介質流動阻力大、占地面積大、不方便布置。

3.4 球型補償器

補償能力大（有時補償管段達300～500m），能做空間變形，占地面積小，安裝方便，造價低，密封性能良好，使用壽命較長。為了降低管道對固定支座的推力，宜采取降低管道與支架摩擦力的措施。

各種補償器的尺寸和流體阻力差別很大，選用管道補償器時，應根據敷設條件采用維修工作量小、工作可靠和價格較低的補償器。

4 補償器的規格參數

①公稱壓力：補償器的公稱壓力應高于系統最大工作壓力。當介質溫度過高時，補償器的承壓能力會有所降低。

②公稱通徑：公稱通徑或公稱直徑就是指管道的直徑。補償器的外徑與補償器形式、連接方式、限位拉桿有關。外徑有可能比公稱通徑大很多，在確定管道位置和管道間距時必須考慮。

③耐疲勞能力：疲勞強度是指材料在無限多次交變載荷作用而不會產生破壞的最大應力，稱為疲勞強度或疲勞極限。與彈簧特性類似，通常根據供冷或供熱季節計算。

④補償量：補償器的熱伸長量應大于設計計算量。

⑤補償量修正：當變形次數大于耐疲勞能力時，補償量會降低，需對補償器的補償量進行修正。

⑥剛度與彈性模量：剛度是指材料或結構在受力時抵抗彈性變形的能力，是材料或結構彈性變形難易程度的表征。材料的剛度通常用彈性模量來衡量。

⑦供貨狀態與安裝長度：供貨狀態即為補償器的自然狀態，安裝長度是指需為補償器做預變形，即預變形狀態。

5 波紋補償器的預變形

波紋補償器是最為常用的，設計中，常常利用補償器的預變形來減少管道的推力和增強管道的穩定性，但不能增加補償量。

在選用標準補償器時，對于吸收側向位移或角位移的金屬波紋補償器，如果有預變形的要求，就一定要進行預變形，因為這類金屬波紋補償器的導流筒與管壁的間隙是按照額定補償量50%進行設計的，這樣可以增大導流筒的內徑，減少壓力損失。

對于補償量大的補償器，預變形后所減少的推力也越大，因此，最好進行預變形。對于補償量小的設備，一般不進行預變形。用于吸收振動的補償器，不需要進行預變形。

軸向補償器的預變形比較簡單，可利用拉桿進行預變形，用于補償熱膨脹的進行預拉伸，用于補償冷收縮的則進行預壓縮。吸收側向位移或角位移的補償器預變形要在配管中進行。一般預變形量為補償量的50%，使冷態時和操作時的推力基本相同。

6 管道支架

支吊架是對管道上安裝支架的統稱。支架也可分為好多類，如固定支架、滑動支架、導向支架等。

固定支架：管道軸向、橫向均受限制，不允許管道有位移。

滑動支架：管道軸向、橫向均不受限制，即允許管道前后、左右有位移。

導向支架：滑動支架的一種，一般只允許管道有軸向位移，而不允許有橫向位移。

7 受力計算分析

現以波紋管補償器為例，進行管道的受力計算分析。管道主要受到以下三種力。

7.1 管道內介質熱位移產生的摩擦力

P1=μ×q×l（N）

式中：μ——摩擦系數；q——管道的單位長度重量，N/m；l——固定支架所承擔的管道長度，m。

例如，一根DN300 的水管，固定支架承擔10m 長的管道重量為15000N，經查μ=0.3（根據《實用供熱空調設計手冊》），則P1=4500N，約合460kg。

7.2 波紋管補償器內壓產生的軸線推力

P2=A×P×100（N）

式中：A——波紋管的有效截面面積，m2；P——管道內的工作壓力，Pa。

例如，一根DN300 的水管，工作壓力為0.8MPa，管道有效截面積為0.085m2，則P2=68000N，約合7000kg。

7.3 波紋管補償器的彈性力

P3=Kx×ΔL（N）

式中：Kx——波紋管補償器的剛性強度，N/mm；ΔL——波紋管補償器的軸向位移量，mm。

Kx 與管徑和補償量有關，經查補償器的樣品手冊，一根DN300 的水管，Kx=500N/m，補償量ΔL=64mm，則P3=32000N，約合3265kg。

經上述計算分析可見，一個DN300 的管道產生的力是很可觀的，固定支架的受力也會很大，所以在設計中，對大管徑、高溫、高壓管道必須核算固定支架的推力。

立管固定支架是不受摩擦力的，但可能承受管道和介質的重力。僅當熱水管道確定不存在向上位移時，采用單向固定支架。當不能確定管道位移方向，或存在向上和向下位移可能時，應采用雙向立管固定支架。

若推力較大，需想法減小固定支架的受力，通常采用的方法包括：優化管道設計路由，避免補償量過大，彈性反力過大；安裝前做好補償器的預變形，可以減少補充位移量，減小彈性力；采用內外壓平衡式補償器，避免或減小內壓推力；將補償器設置在管徑較小的一端[4]。

8 補償器和固定支架的設置位置

設計中，管道的路由是復制多變的，設計師應根據實際情況盡可能利用自然補償，若不得不采用補償器進行補償時，應盡可能安裝在合適的位置，以最大程度發揮補償器的作用，如圖1所示。

圖1 補償器和支架安裝位置示意圖

①立管固定應設置在結構混凝土墻體與樓板結構梁處，避免單純樓板受力。

②水平管道固定之間應設置在結構混凝土墻體、結構柱子、結構梁上，避免單純樓板受力。

③避免遠離結構受力體，在空中設置管道固定支架。

④補償器靠近一個固定支架，可以減少導向支架的數量，減少軸向失穩的可能。

⑤補償器安裝在管徑小的一端，可以減少對固定支架的作用力。

⑥補償器的位移應盡可能遠離支管連接處，以減小支管位移。

9 結語

論文分析了各類補償器的優缺點，并通過對波紋補償器的受力計算分析，探討在暖通管道設計過程中怎么設置和在哪里設置補償器。