摘要: 近年來(lái)，波紋補(bǔ)償器作為關(guān)鍵組件在熱力管網(wǎng)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，然而，波紋補(bǔ)償器在管網(wǎng)中應(yīng)用布置不當(dāng)，會(huì)引起整個(gè)管系的破壞，甚至釀成惡性事故。本文結(jié)合多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)波紋補(bǔ)償器在熱力管網(wǎng)中的設(shè)計(jì)布置進(jìn)行探討。

關(guān)鍵字:集中供暖,補(bǔ)償器,熱力管網(wǎng)
    波紋補(bǔ)償器以其結(jié)構(gòu)緊湊、補(bǔ)償量大、流動(dòng)阻力小、零泄漏、不用維修等諸多優(yōu)點(diǎn)在熱網(wǎng)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。但它也有不易解決的缺點(diǎn)：例如軸向型波紋補(bǔ)償器對(duì)固定支架產(chǎn)生壓力推力，造成固定支架推力大，從而造價(jià)高；另外波紋補(bǔ)償器管壁較薄不能承受扭力、振動(dòng)，安全性差；設(shè)備投資高、設(shè)計(jì)要求嚴(yán)、施工安裝精度高、往往達(dá)不到預(yù)期壽命等一系列缺點(diǎn)。鑒于波紋補(bǔ)償器存在的這些缺點(diǎn)，又由于許多設(shè)計(jì)、施工人員對(duì)波紋補(bǔ)償器的認(rèn)識(shí)還不夠全面，因此導(dǎo)致施工與運(yùn)行期間容易發(fā)生事故。分析事故原因，有的事故屬于波紋補(bǔ)償器自身的制造質(zhì)量或選材不當(dāng)?shù)膯?wèn)題，有的屬于施工問(wèn)題，更有相當(dāng)大的一部分屬于設(shè)計(jì)布置問(wèn)題。在設(shè)計(jì)方面發(fā)生問(wèn)題，多數(shù)屬于不明白波紋補(bǔ)償器管道設(shè)計(jì)特點(diǎn)造成計(jì)算失誤和補(bǔ)償管系選定不合理。
    波紋管是構(gòu)成波紋補(bǔ)償器最主要元件。波紋管主要性能包括：補(bǔ)償量、彈性剛度，耐壓強(qiáng)度、穩(wěn)定性、疲勞強(qiáng)度等，一般設(shè)計(jì)熱力管網(wǎng)要求波紋管是在滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性、和疲勞壽命前提下，補(bǔ)償量越大越好剛度值越小越好。波紋管通過(guò)附加的拉桿、鉸鏈等附件與波紋管元件相互組合即可以組成各種功能的補(bǔ)償器，通過(guò)不同的波紋補(bǔ)償器組合方式又可以構(gòu)成各種形式的補(bǔ)償管系以完成熱力管網(wǎng)補(bǔ)償需要。波紋補(bǔ)償器組合分為軸向補(bǔ)償器、角向補(bǔ)償器，復(fù)式拉桿補(bǔ)償器管系，采用角向與復(fù)式拉桿補(bǔ)償器更接近自然補(bǔ)償管系受力形式，不用考慮內(nèi)壓推力，采用軸向補(bǔ)償器因承受較大內(nèi)壓力，補(bǔ)償量大。同心精度要求高，發(fā)生問(wèn)題也較多。下面重點(diǎn)對(duì)采用軸向補(bǔ)償器管系談一些體會(huì)和改進(jìn)意見(jiàn)。 

補(bǔ)償器支架受力基本原則 
    軸向波紋管補(bǔ)償器受力支架分為主固定支架、次固定支架、導(dǎo)向支架。 
    固定支架推力計(jì)算： 
    主固定支架水平推力由三種力的合力組成：

    （1）由于工作壓力引起的內(nèi)壓推力F＝P*A： 
    其中P為工作壓力，A為波紋管有效截面積。內(nèi)壓推力由波紋管有效截面積及工作壓力所決定，內(nèi)壓推力與工作壓力、有效截面積成正比，一般來(lái)說(shuō)，波紋管補(bǔ)償器的內(nèi)壓推力都較大;

    （2）波紋管剛度產(chǎn)生的彈性力PA＝K*f*L 
    其中為K波紋管剛度，L為管道實(shí)際伸長(zhǎng)量，f為系數(shù)，預(yù)拉伸時(shí)為0.5，否則為1。 
    （3）固定支架間滑動(dòng)摩擦反力qμl  
    其中q為管道重量，μ為摩擦系數(shù)，l為管道自由端至固定端的距離。 
    主固定支架水平推力=內(nèi)壓推力+摩擦反力+彈性力 
    如果不同心還將計(jì)入因偏心造成對(duì)固定支架的彎距和側(cè)向推力。主固定支架水平推力巨大，大管徑可達(dá)上百噸，土建布置困難，需進(jìn)行全面結(jié)構(gòu)核算，屬于重載支架。 
    次固定支架，受力與主固定支架相同，但內(nèi)壓推力平衡抵銷，總推力較小，與主固定支架不是一個(gè)數(shù)量級(jí)，屬于中間減載支架。 
    計(jì)算固定點(diǎn)推力時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算固定點(diǎn)每側(cè)的受力，然后再合成。固定點(diǎn)兩側(cè)的方向相同時(shí)，采用兩個(gè)力的矢量和作為固定點(diǎn)推力。兩個(gè)力方向相反時(shí)，用絕對(duì)值大的力減去絕對(duì)值小的力的0.7倍，作為固定點(diǎn)的推力。 
    導(dǎo)向支架是控制沿管道或補(bǔ)償器運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng),確保管段膨脹作用于補(bǔ)償器上并保證管道不發(fā)生失穩(wěn). 
    一般補(bǔ)償器廠家樣本不僅對(duì)產(chǎn)品規(guī)格結(jié)構(gòu)參數(shù)情況做詳細(xì)說(shuō)明而且有應(yīng)用實(shí)例推力計(jì)算通用安裝要求,較為詳盡.可以作為設(shè)計(jì)依據(jù). 
    固定支架微小位移中對(duì)波紋補(bǔ)償器的影響： 
    不少管系甚至直埋管系均布置成固定支架（固定支墩）有微小熱位移的可動(dòng)設(shè)計(jì)，在自然補(bǔ)償管系中，整個(gè)管系都參與補(bǔ)償變形，管道變形較為均勻，這種布置方式使管系整體性好，可靠性高，并且可以減少應(yīng)力集中。在波紋補(bǔ)償器管系中情況則大為不同，如果處理不當(dāng)對(duì)波紋補(bǔ)償器的安全影響很大。一種微小熱位移的可動(dòng)設(shè)計(jì)形式是管道與支架連接處不是焊死而是緊靠限位擋板在根部焊接固定。相國(guó)標(biāo)圖集403.022-02擋板式固定支架對(duì)于自然補(bǔ)償管系（角向、復(fù)式拉桿補(bǔ)償情況類似）是否焊接現(xiàn)在爭(zhēng)論較大，另外蒸汽直埋管道現(xiàn)多采用鋼套鋼內(nèi)固定方式，這種結(jié)構(gòu)方式是為減少熱橋的傳熱，固定環(huán)在內(nèi)外環(huán)板之間增加橡膠板等隔熱材料，內(nèi)外環(huán)板通常不焊接，可以自由活動(dòng)，當(dāng)固定支架受較大力或水擊振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定量位移，有時(shí)還發(fā)生縱向微量位移，對(duì)補(bǔ)償器產(chǎn)生扭矩作用，這種位移對(duì)波紋補(bǔ)償器有一定影響。 
    2波紋補(bǔ)償器設(shè)置位置的探討 
    按照通常做法，軸向型波紋補(bǔ)償器均布置在緊靠固定支架旁，然后緊接兩個(gè)導(dǎo)向支架，距離分別4Dg、14Dg，主要目的以防止其軸向失穩(wěn)，蒸汽直埋管道靠保溫材料及外套鋼管進(jìn)行支撐或?qū)颉崴甭窆苤饕颗c保溫材料形成整體由土壤、沙層控制。但筆者認(rèn)為，這種布置方式出發(fā)點(diǎn)是好的，但在實(shí)際運(yùn)用中受地形限制，架空管系支架過(guò)多，則布置困難；直埋管系地下障礙物過(guò)多，可能有過(guò)多翻彎產(chǎn)生，要求補(bǔ)償器只能布置在直管段，這種在固定支架側(cè)設(shè)補(bǔ)償器的形式，可能會(huì)因管線位移造成波紋補(bǔ)償器每個(gè)波節(jié)吸收位移的工作能力傳遞不均，發(fā)揮的補(bǔ)償能力不充分。我們認(rèn)為解決補(bǔ)償器軸向失穩(wěn)問(wèn)題除與其布置、設(shè)置位置有關(guān)外，更主要的是取決于補(bǔ)償器自身的性能與質(zhì)量，只布置在固定支架側(cè)的補(bǔ)償器性能與質(zhì)量要求應(yīng)更高一些，管線分段距離一般應(yīng)小一些，進(jìn)行選型時(shí)一定要選自導(dǎo)向性好，抗失穩(wěn)能力強(qiáng)的補(bǔ)償器，設(shè)計(jì)布置按照基本原則，根據(jù)工程的實(shí)際情況，靈活對(duì)待處理，實(shí)踐情況證明，無(wú)論是架空還是直埋地溝，只要做好導(dǎo)向結(jié)構(gòu)控制，波紋補(bǔ)償器可以設(shè)置在兩固定支架的任一位置。 
    3蒸汽直埋管道一種設(shè)計(jì)方式存在的問(wèn)題 
    蒸汽直埋管道管系有時(shí)為減少固定支架的數(shù)量，往往布置成“駐點(diǎn)”形式：直埋管道兩個(gè)規(guī)格型號(hào)相同的相鄰補(bǔ)償器之間管線中點(diǎn)不設(shè)固定點(diǎn)，當(dāng)管道受熱均勻膨脹時(shí)，在兩個(gè)補(bǔ)償器中間必然形成一個(gè)力的相對(duì)平衡點(diǎn)，即駐點(diǎn)。理論上以該點(diǎn)為界管道向左右兩個(gè)方向均勻膨脹，一般認(rèn)為，力的平衡點(diǎn)可能會(huì)因管道受力不均勻而發(fā)生少許偏移，一般按20%余量進(jìn)行考慮補(bǔ)償器設(shè)置。筆者認(rèn)為，此種布置方式值得商榷。我公司建于1992年φ630蒸汽直埋管道及采用此種布置方式，固定支架之間距離80米，設(shè)兩只補(bǔ)償器規(guī)格型號(hào)完全相同，均為120㎜，于2000年進(jìn)行對(duì)此段管道更換，拆解后發(fā)現(xiàn)一只補(bǔ)償器已被壓扁，壓縮量200mm，另一只不僅未起到補(bǔ)償壓縮作用，反而被拉長(zhǎng)50mm，一個(gè)補(bǔ)償器伸長(zhǎng)對(duì)另一個(gè)補(bǔ)償器造成過(guò)度壓縮從而使兩個(gè)補(bǔ)償器均發(fā)生破壞失效。造成這種情況的原因較為復(fù)雜：一是補(bǔ)償器自身質(zhì)量偏差較大，雖型號(hào)規(guī)格相同但剛度值差距大無(wú)法自由壓縮；二是受管材加工制作質(zhì)量與安裝質(zhì)量影響，無(wú)法自由伸縮，“駐點(diǎn)”固定支架兩側(cè)管道受力不均，造成駐點(diǎn)偏移大，“駐點(diǎn)”不固定，使波紋補(bǔ)償器無(wú)法承受，最終造成破壞。除非對(duì)補(bǔ)償器自身作較大改進(jìn)，保證波紋間均布限位使波紋補(bǔ)償器剛度均衡趨于一致，否則采用普通補(bǔ)償器條件下，還應(yīng)按照美國(guó)EJMA規(guī)定每?jī)蓚€(gè)固定支架之間只設(shè)一個(gè)補(bǔ)償器的原則。 
    4管道水擊對(duì)波紋補(bǔ)償器布置要求 
    水擊對(duì)波紋補(bǔ)償器影響極大。.蒸汽管道無(wú)論是地上架空還是地下地溝或直埋管道，都存在著水擊問(wèn)題，水擊產(chǎn)生的能量釋放不出來(lái)，最終作用在管道保溫結(jié)構(gòu)、支架、補(bǔ)償器及閥門上。彎頭處或管道出地處，發(fā)生水擊情況較多，但因管道是剛性的，抗水擊能力強(qiáng)，波紋補(bǔ)償器波紋是柔性體，無(wú)法抵御水擊瞬間劇增壓力波沖擊振動(dòng)，造成破壞從破壞的部位來(lái)看，一是波紋，二是導(dǎo)流套，而最薄弱的環(huán)節(jié)是波紋補(bǔ)償器的波紋，水擊的結(jié)果造成波紋變形甚至破裂，導(dǎo)流套倒個(gè)或撕裂，嚴(yán)重危害管網(wǎng)安全。防止水擊的措施：除合理根據(jù)熱負(fù)荷確定相應(yīng)管徑，有針對(duì)性設(shè)置好疏水點(diǎn)，有效及時(shí)進(jìn)行疏水外，在補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)布置方式上，也應(yīng)加以改進(jìn)。建議將波紋補(bǔ)償器遠(yuǎn)離彎頭及上翻處固定支架，改在靠近另一側(cè)固定支架，這樣即使管道中存在少量積水，但作用位置遠(yuǎn)離補(bǔ)償器，可大大減少水擊的對(duì)波紋補(bǔ)償器造成的破壞。另外選用外壓補(bǔ)償器，改進(jìn)導(dǎo)流套形式也能起到一定的防范水擊作用。 
    (1)現(xiàn)場(chǎng)變更對(duì)波紋補(bǔ)償器的影響 
    熱力管網(wǎng)有時(shí)雖然原始設(shè)計(jì)很好，但由于進(jìn)行施工后經(jīng)常遇到障礙，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況與設(shè)計(jì)往往出入很大，不得不做大量的實(shí)際設(shè)計(jì)變更，對(duì)自然補(bǔ)償管道只要處理適當(dāng)不會(huì)產(chǎn)生很大影響，但對(duì)軸向補(bǔ)償器管路影響非常大，不少施工單位對(duì)此沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)，某些固定支架在管道改變走向后，原來(lái)不承受壓力推力改為承受壓力推力或者產(chǎn)生較大彎距，支架受力結(jié)構(gòu)形式發(fā)生重大變化，處置不當(dāng)很容易推壞固定支架，導(dǎo)致事故發(fā)生。   

    由于施工單位專業(yè)化程度普遍較低，主要靠設(shè)計(jì)單位對(duì)施工的熱網(wǎng)布置整體性進(jìn)行控制，在管線變更較大情況下，應(yīng)特別注意管道的受力形式是否符合補(bǔ)償器布置基本原則，通過(guò)合理分段，保證管線呈直線，控制拐點(diǎn)產(chǎn)生，減少作用于固定支架與導(dǎo)向支架的彎矩及側(cè)向推力，進(jìn)而保證管系安全合理。這對(duì)于設(shè)計(jì)人員最為重要，除了不斷積累經(jīng)驗(yàn)外，一定要形成明確設(shè)計(jì)思路，才能提高設(shè)計(jì)補(bǔ)償器管系的水平。 

    (2)設(shè)計(jì)中考慮延緩補(bǔ)償器壽命、預(yù)防腐蝕 
    影響波紋管補(bǔ)償器壽命的因素有很多，一是破壞失穩(wěn)，二是腐蝕。在城市熱網(wǎng)中使用的補(bǔ)償器，理論計(jì)算壽命大約6000——10000次，其安全系數(shù)為15倍，實(shí)際許用壽命應(yīng)大于400次，一個(gè)連續(xù)運(yùn)行的熱網(wǎng)，如果每年起動(dòng)約20次左右，其許用正常壽命應(yīng)該在20年以上。實(shí)際應(yīng)用中卻不是這樣，用不了三五年即被換掉，十幾年前安裝的補(bǔ)償器幾乎沒(méi)有，在設(shè)計(jì)中有一條名言“腐蝕始于圖紙”，要求我們?cè)诠苈吩O(shè)計(jì)時(shí)，不僅固定支架的位置要合理，導(dǎo)向支架距離要適當(dāng)，導(dǎo)向支架要有防止補(bǔ)償器失穩(wěn)的措施，另外設(shè)計(jì)布置也應(yīng)考慮預(yù)防腐蝕問(wèn)題，這方面往往被忽略。通過(guò)實(shí)際檢查發(fā)現(xiàn)，布置在檢查井或者地溝內(nèi)的補(bǔ)償器腐蝕較快，特別是熱水管網(wǎng)檢查井內(nèi)供水管上的補(bǔ)償器最為嚴(yán)重，而回水管的基本無(wú)腐蝕，經(jīng)分析主要原因是供回水補(bǔ)償器及管段形成原電池效應(yīng)，發(fā)生電化學(xué)腐蝕。這類問(wèn)題發(fā)生均可以通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法予以解決，在布置補(bǔ)償器時(shí)尤其注意最好不并列布置，有條件的應(yīng)加大補(bǔ)償器間距，敷設(shè)時(shí)最好采用全埋方式不設(shè)檢查井，做好標(biāo)記，如必須設(shè)在檢查井內(nèi)，必須做好防水保溫，防止污水雨水進(jìn)入，減少腐蝕條件，阻斷形成原電池效應(yīng)回路。 
    (3)設(shè)計(jì)中預(yù)先考慮水壓試驗(yàn)方案 
    某熱力管道采用軸向補(bǔ)償器，施工中施工隊(duì)伍采用分段打壓試驗(yàn)，自行選定分段點(diǎn)設(shè)臨時(shí)盲板，盲板力沒(méi)有作用在主固定支架上，而是作用在次固定支架上。按1.5倍試驗(yàn)壓力升壓時(shí)將固定支架拉壞。軸向型補(bǔ)償器管路分段打壓時(shí)，分段點(diǎn)應(yīng)選擇可承受水壓試驗(yàn)壓力的主固定支架，無(wú)法做到這一點(diǎn)時(shí)，應(yīng)對(duì)分段點(diǎn)承受盲板力的次固定支架進(jìn)行臨時(shí)加固，使其能夠承受盲板力。由于主次固定支架推力相差太大，臨時(shí)加固的辦法很難實(shí)施分段，因此最好的辦法是設(shè)計(jì)中預(yù)先考慮水壓試驗(yàn)或吹掃方案，打壓的分段點(diǎn)的位置最好由業(yè)主方、設(shè)計(jì)方、施工單位共同確定，由設(shè)計(jì)單位負(fù)責(zé)技術(shù)交底，業(yè)主方根據(jù)設(shè)計(jì)單位意見(jiàn)組織實(shí)施。 
    (4)施工安裝對(duì)軸向波紋補(bǔ)償器的影響 
    有時(shí)候補(bǔ)償器布置形式不合理或設(shè)計(jì)采取措施不得當(dāng)，施工安裝中很容易出現(xiàn)偏差，造成受力方向主要不是軸向力，而是偏向力，偏向力對(duì)補(bǔ)償器產(chǎn)生一定的扭矩，對(duì)于軸向波紋補(bǔ)償器來(lái)說(shuō)，管壁較薄抗扭矩能力差，極易失穩(wěn)。因此施工中為保證管系在安裝補(bǔ)償器處的同軸度公差處于最小，建議在安裝補(bǔ)償器前先將管段敷設(shè)好，然后在準(zhǔn)備安裝補(bǔ)償器處將管子割下一段（其長(zhǎng)度等于補(bǔ)償器的自由長(zhǎng)度加預(yù)拉伸量），再將補(bǔ)償器裝上去焊接，采用割管法安裝的辦法。雖然造成少量管道浪費(fèi)，卻能保證管道同心度。 
    5結(jié)束語(yǔ) 
    波紋補(bǔ)償器作為熱網(wǎng)管道的關(guān)鍵組件，在熱網(wǎng)的使用量也越來(lái)越大，但是波紋補(bǔ)償器在我國(guó)應(yīng)用時(shí)間仍較短，尚未有正式國(guó)家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，另外廠家繁多，專利產(chǎn)品亦多，結(jié)構(gòu)形式均有所不同，加之設(shè)計(jì)單位對(duì)補(bǔ)償器的認(rèn)識(shí)較淺應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足，只是簡(jiǎn)單套用樣本，因此出現(xiàn)問(wèn)題是在所難免的。建議廣大供熱設(shè)計(jì)人員應(yīng)加強(qiáng)調(diào)查研究，互相交流學(xué)習(xí)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，吸取教訓(xùn)，加強(qiáng)協(xié)作，在進(jìn)行管網(wǎng)設(shè)計(jì)、補(bǔ)償器選型計(jì)算和布置、組織施工等方面，掌握原則，正確運(yùn)用，做到管網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、合理，杜絕安全事故產(chǎn)生。