張俊嶺

摘要:本文分析了供熱管道熱應(yīng)力的危害性，介紹了熱補償?shù)母鞣N方式和其優(yōu)缺點，為補償器的選擇提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞:供熱管線熱應(yīng)力布置類型敷設(shè)方式

供熱管道通常都采用鋼管。鋼管工作時其長度變化不妥善解決，將引起熱應(yīng)力。熱應(yīng)力會引起管道變形，管道接口或管道與設(shè)備連接處漏水；在蒸汽或高溫水為熱媒時，嚴(yán)重時甚至?xí)茐墓艿老到y(tǒng)。

1.熱應(yīng)力計算

1.1管道受熱（冷）的自由伸長量可按下式計算：

計算管道熱伸長量，是為了確定補償器的所需補償量，或驗算管道因熱伸長而產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力，所以對于管道的熱伸長量應(yīng)計算其最大值，即取冷態(tài)安裝條件的最低溫度和熱態(tài)運行條件的最高溫度之間的最大溫差。由于管線安裝的氣候條件差異很大，因此t2不應(yīng)有統(tǒng)一的取值，應(yīng)根據(jù)當(dāng)時的氣候條件和施工環(huán)境，確定適當(dāng)?shù)墓艿腊惭b溫度。

1.2供熱管道熱應(yīng)力驗算與控制

為了防止供熱管道升溫時，由于熱伸長或溫度應(yīng)力的作用而引起鋼管變形或破壞，需要在管道上設(shè)置補償器，以補償管道的熱伸長，從而減小管壁的應(yīng)力或作用在閥件支架結(jié)構(gòu)上的作用力。在熱力管線敷設(shè)中，補償器是保證管道安全運行的重要部件。

補償器在內(nèi)壓作用下的失穩(wěn)包括兩種情況，即平面失穩(wěn)和軸向柱狀失穩(wěn)。

1.2.1平面失穩(wěn)表現(xiàn)為一個或幾個波紋的平面相對于波紋管軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動而傾斜，但其波平面的圓心基本在波紋管的軸線上。這是由于內(nèi)壓產(chǎn)生的子午向彎曲應(yīng)力和周向薄膜應(yīng)力的合力超過材料屈服強度，局部出現(xiàn)塑性變形所致。

1.2.2柱失穩(wěn)波紋管的波紋連續(xù)地橫向偏移，使波紋管偏移后的實際軸線成弧形或S形（在多波情況下呈S形）。這種情況多數(shù)是因為波紋數(shù)太多，波紋管有效長度L跟內(nèi)徑d之比（L/d）太大造成的。為避免失穩(wěn)情況發(fā)生，對管道應(yīng)進行應(yīng)力驗算。

管道在工作狀態(tài)下，由內(nèi)壓產(chǎn)生的折算應(yīng)力按下式計算：

σeq＝P[0.5do－Y(s－α)]/ s－α≤[σ]t MPa

P－敷設(shè)壓力MPa do－管線外徑mm s－管線敷設(shè)壁厚mmα－腐蝕裕量mm

Y－溫度對計算管線壁厚的修正系數(shù)

[σ]t－敷設(shè)溫度下的許用應(yīng)力 Mpa

2.熱補償器的選擇

供熱管道采用的補償器種類很多，主要有管道的自然補償器、方形補償器、波紋管補償器、套筒式補償器和球形補償器等。前三種是利用補償材料的變形來吸收熱伸長；后兩種是利用管道的位移來吸收熱伸長。自然補償是一種最簡便最經(jīng)濟的補償方式，應(yīng)充分加以利用。

2.1自然補償器和方形補償器

自然補償器是利用管道自然轉(zhuǎn)彎構(gòu)成的幾何形狀所具有的彈性來補償管道的熱膨脹。常見的自然補償器有L形、Z形自然補償器。如圖

方形補償器通常是由四個90度無縫鋼管煨彎或機制彎頭構(gòu)成的U型補償器，依靠彎管的變形來補償管段的熱伸長。

方形補償器制造安裝方便，不需要經(jīng)常維修，補償能力大，作用在固定點上的推力（即補償器的彈性力）較小，可用于各種壓力和溫度條件。缺點是補償器外形尺寸大，占地面積多。為了提高方形補償器的補償能力（或減少其位移量），施工之前常采用預(yù)先冷拉的辦法，一般預(yù)拉伸量為管道伸長量的50%，在極限情況下，其補償能力可比無預(yù)拉時提高一倍。

a圖:管井內(nèi)管道很長時，可在某一層管井中將其拐彎形成一個方形補償器；

b圖：沿墻敷設(shè)的直管段在穿過墻時設(shè)補償器；

c圖：沿柱敷設(shè)的管道繞柱設(shè)方形補償器。

水平單管采暖系統(tǒng)每5~6組散熱器的水平支管上以及高層建筑的采暖立管上要設(shè)方形補償器或乙字彎形狀的管道。需要設(shè)置補償器的直管段長度可查文獻。

2.2套筒式補償器

套筒補償器是由填料密封的套管和外殼管組成的，兩者同心套裝并可軸向補償。

當(dāng)管道溫度變化時，芯管可在外殼管內(nèi)移動進行熱補償。填料圈被壓蘭壓緊在內(nèi)外管之間其密封作用，但同時也增加了泄漏點。使用幾年后填料性能變化每隔一定時間要進行更換。其特點是補償能力大，一般可達250~400mm,占地小，介質(zhì)流動阻力小，造價低。

適用于工作壓力小于或等于1.6MPa，工作溫度低于300℃的直線管路上，多用于管井、管溝中，補償器與管道采用焊接連接。

2.3波紋管補償器

波紋管補償器是用不銹鋼制成的、由多個連續(xù)波狀管組成的補償器，靠改變波的形狀起補償作用。其特點是體積小，重量輕，但其補償能力小，價格也較高。適用于安裝在直線管段上。

波紋管補償器以其體積小、重量輕、節(jié)省鋼材、占地面積小、流動阻力小、不易滲漏，已開始占有舉足輕重的地位，而且很有發(fā)展前景。目前波紋管制造突破了傳統(tǒng)的材料和工藝，采用高彈性金屬管經(jīng)滾壓一次成型，并采用多層金屬結(jié)構(gòu)，從而提高了其補償能力和承壓能力，應(yīng)用新技術(shù)制造的波紋管補償為其在熱力管線中的應(yīng)用提供了可靠的保證。

波紋管補償器根據(jù)位移形式可基本分為軸向、橫向、角向三類，每一類都有各自的優(yōu)點和缺點，所以必須根據(jù)不同的使用條件，恰當(dāng)?shù)剡x用才能使波紋補償器正常工作，做到波紋補償器敷設(shè)選型經(jīng)濟、合理。

常用的軸向波紋管補償器通常都作為標(biāo)準(zhǔn)的管配件，用法蘭或焊接的形式與管道連接。為了保證套筒補償器與波紋管補償器沿軸向補償和直線位移，它們應(yīng)靠近固定支架安裝，必要時還應(yīng)設(shè)導(dǎo)向支架，以控制橫向位移，防止失去效能。

2.4球形補償器

它是靠一組兩個或三個球形接頭的靈活轉(zhuǎn)動及其所構(gòu)成的

相應(yīng)角度變化來補償管道的膨脹。

特點：具有很好的耐壓和耐溫性能，能適應(yīng)230℃的高溫和4105Pa的壓力，使用壽命長，運行可靠，占地面積小，基本上無需維修，補償能力大。工作時變形應(yīng)力小，減少了對支座的要求。適用于架空管道上。

3.結(jié)束語

熱力管線工程運行是否正常直接關(guān)系到居民生活質(zhì)量，在敷設(shè)過程中應(yīng)遵循技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全適用的原則，作為一項系統(tǒng)工程，從管線的敷設(shè)到管道的制造、安裝及管線的啟動運行，每個環(huán)節(jié)都直接影響著工程的成敗。而一項好的敷設(shè)可以使產(chǎn)品的性能得以充分發(fā)揮，可以最大限度地減少施工中的困難，降低工程造價。因此，我們的敷設(shè)一定要做到嚴(yán)謹(jǐn)合理，為工程的成功提供可靠的前提保證，如若不然，不僅增加工程造價，同時還由于敷設(shè)不當(dāng)而削弱了熱力管線運行的安全性和可靠性。

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