摘要: 近年来，波纹补偿器作为关键组件在热力管网中的应用也越来越广泛，然而，波纹补偿器在管网中应用布置不当，会引起整个管系的破坏，甚至酿成恶性事故。本文结合多年的实践经验对波纹补偿器在热力管网中的设计布置进行探讨。
关键字:集中供暖,补偿器,热力管网
波纹补偿器以其结构紧凑、补偿量大、流动阻力小、零泄漏、不用维修等诸多优点在热网中的应用也越来越广泛。但它也有不易解决的缺点：例如轴向型波纹补偿器对固定支架产生压力推力，造成固定支架推力大，从而造价高；另外波纹补偿器管壁较薄不能承受扭力、振动，安全性差；设备投资高、设计要求严、施工安装精度高、往往达不到预期寿命等一系列缺点。鉴于波纹补偿器存在的这些缺点，又由于许多设计、施工人员对波纹补偿器的认识还不够全面，因此导致施工与运行期间容易发生事故。分析事故原因，有的事故属于波纹补偿器自身的制造质量或选材不当的问题，有的属于施工问题，更有相当大的一部分属于设计布置问题。在设计方面发生问题，多数属于不明白波纹补偿器管道设计特点造成计算失误和补偿管系选定不合理。
波纹管是构成波纹补偿器最主要元件。波纹管主要性能包括：补偿量、弹性刚度，耐压强度、稳定性、疲劳强度等，一般设计热力管网要求波纹管是在满足强度、稳定性、和疲劳寿命前提下，补偿量越大越好刚度值越小越好。波纹管通过附加的拉杆、铰链等附件与波纹管元件相互组合即可以组成各种功能的补偿器，通过不同的波纹补偿器组合方式又可以构成各种形式的补偿管系以完成热力管网补偿需要。波纹补偿器组合分为轴向补偿器、角向补偿器，复式拉杆补偿器管系，采用角向与复式拉杆补偿器更接近自然补偿管系受力形式，不用考虑内压推力，采用轴向补偿器因承受较大内压力，补偿量大。同心精度要求高，发生问题也较多。下面重点对采用轴向补偿器管系谈一些体会和改进意见。
补偿器支架受力基本原则
轴向波纹管补偿器受力支架分为主固定支架、次固定支架、导向支架。
固定支架推力计算：
主固定支架水平推力由三种力的合力组成：
（1）由于工作压力引起的内压推力F＝P*A：
其中P为工作压力，A为波纹管有效截面积。内压推力由波纹管有效截面积及工作压力所决定，内压推力与工作压力、有效截面积成正比，一般来说，波纹管补偿器的内压推力都较大;
（2）波纹管刚度产生的弹性力PA＝K*f*L
其中为K波纹管刚度，L为管道实际伸长量，f为系数，预拉伸时为0.5，否则为1。
（3）固定支架间滑动摩擦反力qμl
其中q为管道重量，μ为摩擦系数，l为管道自由端至固定端的距离。
主固定支架水平推力=内压推力+摩擦反力+弹性力
如果不同心还将计入因偏心造成对固定支架的弯距和侧向推力。主固定支架水平推力巨大，大管径可达上百吨，土建布置困难，需进行全面结构核算，属于重载支架。
次固定支架，受力与主固定支架相同，但内压推力平衡抵销，总推力较小，与主固定支架不是一个数量级，属于中间减载支架。
计算固定点推力时，应分别计算固定点每侧的受力，然后再合成。固定点两侧的方向相同时，采用两个力的矢量和作为固定点推力。两个力方向相反时，用绝对值大的力减去绝对值小的力的0.7倍，作为固定点的推力。
导向支架是控制沿管道或补偿器运动方向运动,确保管段膨胀作用于补偿器上并保证管道不发生失稳.
一般补偿器厂家样本不仅对产品规格结构参数情况做详细说明而且有应用实例推力计算通用安装要求,较为详尽.可以作为设计依据.
固定支架微小位移中对波纹补偿器的影响：
不少管系甚至直埋管系均布置成固定支架（固定支墩）有微小热位移的可动设计，在自然补偿管系中，整个管系都参与补偿变形，管道变形较为均匀，这种布置方式使管系整体性好，可靠性高，并且可以减少应力集中。在波纹补偿器管系中情况则大为不同，如果处理不当对波纹补偿器的安全影响很大。一种微小热位移的可动设计形式是管道与支架连接处不是焊死而是紧靠限位挡板在根部焊接固定。相国标图集403.022-02挡板式固定支架对于自然补偿管系（角向、复式拉杆补偿情况类似）是否焊接现在争论较大，另外蒸汽直埋管道现多采用钢套钢内固定方式，这种结构方式是为减少热桥的传热，固定环在内外环板之间增加橡胶板等隔热材料，内外环板通常不焊接，可以自由活动，当固定支架受较大力或水击振动会产生一定量位移，有时还发生纵向微量位移，对补偿器产生扭矩作用，这种位移对波纹补偿器有一定影响。
2波纹补偿器设置位置的探讨
按照通常做法，轴向型波纹补偿器均布置在紧靠固定支架旁，然后紧接两个导向支架，距离分别4Dg、14Dg，主要目的以防止其轴向失稳，蒸汽直埋管道靠保温材料及外套钢管进行支撑或导向、热水直埋管主要靠与保温材料形成整体由土壤、沙层控制。但笔者认为，这种布置方式出发点是好的，但在实际运用中受地形限制，架空管系支架过多，则布置困难；直埋管系地下障碍物过多，可能有过多翻弯产生，要求补偿器只能布置在直管段，这种在固定支架侧设补偿器的形式，可能会因管线位移造成波纹补偿器每个波节吸收位移的工作能力传递不均，发挥的补偿能力不充分。我们认为解决补偿器轴向失稳问题除与其布置、设置位置有关外，更主要的是取决于补偿器自身的性能与质量，只布置在固定支架侧的补偿器性能与质量要求应更高一些，管线分段距离一般应小一些，进行选型时一定要选自导向性好，抗失稳能力强的补偿器，设计布置按照基本原则，根据工程的实际情况，灵活对待处理，实践情况证明，无论是架空还是直埋地沟，只要做好导向结构控制，波纹补偿器可以设置在两固定支架的任一位置。
3蒸汽直埋管道一种设计方式存在的问题
蒸汽直埋管道管系有时为减少固定支架的数量，往往布置成“驻点”形式：直埋管道两个规格型号相同的相邻补偿器之间管线中点不设固定点，当管道受热均匀膨胀时，在两个补偿器中间必然形成一个力的相对平衡点，即驻点。理论上以该点为界管道向左右两个方向均匀膨胀，一般认为，力的平衡点可能会因管道受力不均匀而发生少许偏移，一般按20%余量进行考虑补偿器设置。笔者认为，此种布置方式值得商榷。我公司建于1992年φ630蒸汽直埋管道及采用此种布置方式，固定支架之间距离80米，设两只补偿器规格型号完全相同，均为120㎜，于2000年进行对此段管道更换，拆解后发现一只补偿器已被压扁，压缩量200mm，另一只不仅未起到补偿压缩作用，反而被拉长50mm，一个补偿器伸长对另一个补偿器造成过度压缩从而使两个补偿器均发生破坏失效。造成这种情况的原因较为复杂：一是补偿器自身质量偏差较大，虽型号规格相同但刚度值差距大无法自由压缩；二是受管材加工制作质量与安装质量影响，无法自由伸缩，“驻点”固定支架两侧管道受力不均，造成驻点偏移大，“驻点”不固定，使波纹补偿器无法承受，最终造成破坏。除非对补偿器自身作较大改进，保证波纹间均布限位使波纹补偿器刚度均衡趋于一致，否则采用普通补偿器条件下，还应按照美国EJMA规定每两个固定支架之间只设一个补偿器的原则。
4管道水击对波纹补偿器布置要求
水击对波纹补偿器影响极大。.蒸汽管道无论是地上架空还是地下地沟或直埋管道，都存在着水击问题，水击产生的能量释放不出来，最终作用在管道保温结构、支架、补偿器及阀门上。弯头处或管道出地处，发生水击情况较多，但因管道是刚性的，抗水击能力强，波纹补偿器波纹是柔性体，无法抵御水击瞬间剧增压力波冲击振动，造成破坏从破坏的部位来看，一是波纹，二是导流套，而最薄弱的环节是波纹补偿器的波纹，水击的结果造成波纹变形甚至破裂，导流套倒个或撕裂，严重危害管网安全。防止水击的措施：除合理根据热负荷确定相应管径，有针对性设置好疏水点，有效及时进行疏水外，在补偿器的设计布置方式上，也应加以改进。建议将波纹补偿器远离弯头及上翻处固定支架，改在靠近另一侧固定支架，这样即使管道中存在少量积水，但作用位置远离补偿器，可大大减少水击的对波纹补偿器造成的破坏。另外选用外压补偿器，改进导流套形式也能起到一定的防范水击作用。
(1)现场变更对波纹补偿器的影响
热力管网有时虽然原始设计很好，但由于进行施工后经常遇到障碍，现场实际情况与设计往往出入很大，不得不做大量的实际设计变更，对自然补偿管道只要处理适当不会产生很大影响，但对轴向补偿器管路影响非常大，不少施工单位对此没有充分认识，某些固定支架在管道改变走向后，原来不承受压力推力改为承受压力推力或者产生较大弯距，支架受力结构形式发生重大变化，处置不当很容易推坏固定支架，导致事故发生。
由于施工单位专业化程度普遍较低，主要靠设计单位对施工的热网布置整体性进行控制，在管线变更较大情况下，应特别注意管道的受力形式是否符合补偿器布置基本原则，通过合理分段，保证管线呈直线，控制拐点产生，减少作用于固定支架与导向支架的弯矩及侧向推力，进而保证管系安全合理。这对于设计人员最为重要，除了不断积累经验外，一定要形成明确设计思路，才能提高设计补偿器管系的水平。
(2)设计中考虑延缓补偿器寿命、预防腐蚀
影响波纹管补偿器寿命的因素有很多，一是破坏失稳，二是腐蚀。在城市热网中使用的补偿器，理论计算寿命大约6000——10000次，其安全系数为15倍，实际许用寿命应大于400次，一个连续运行的热网，如果每年起动约20次左右，其许用正常寿命应该在20年以上。实际应用中却不是这样，用不了三五年即被换掉，十几年前安装的补偿器几乎没有，在设计中有一条名言“腐蚀始于图纸”，要求我们在管路设计时，不仅固定支架的位置要合理，导向支架距离要适当，导向支架要有防止补偿器失稳的措施，另外设计布置也应考虑预防腐蚀问题，这方面往往被忽略。通过实际检查发现，布置在检查井或者地沟内的补偿器腐蚀较快，特别是热水管网检查井内供水管上的补偿器最为严重，而回水管的基本无腐蚀，经分析主要原因是供回水补偿器及管段形成原电池效应，发生电化学腐蚀。这类问题发生均可以通过设计优化的方法予以解决，在布置补偿器时尤其注意最好不并列布置，有条件的应加大补偿器间距，敷设时最好采用全埋方式不设检查井，做好标记，如必须设在检查井内，必须做好防水保温，防止污水雨水进入，减少腐蚀条件，阻断形成原电池效应回路。
(3)设计中预先考虑水压试验方案
某热力管道采用轴向补偿器，施工中施工队伍采用分段打压试验，自行选定分段点设临时盲板，盲板力没有作用在主固定支架上，而是作用在次固定支架上。按1.5倍试验压力升压时将固定支架拉坏。轴向型补偿器管路分段打压时，分段点应选择可承受水压试验压力的主固定支架，无法做到这一点时，应对分段点承受盲板力的次固定支架进行临时加固，使其能够承受盲板力。由于主次固定支架推力相差太大，临时加固的办法很难实施分段，因此最好的办法是设计中预先考虑水压试验或吹扫方案，打压的分段点的位置最好由业主方、设计方、施工单位共同确定，由设计单位负责技术交底，业主方根据设计单位意见组织实施。
(4)施工安装对轴向波纹补偿器的影响
有时候补偿器布置形式不合理或设计采取措施不得当，施工安装中很容易出现偏差，造成受力方向主要不是轴向力，而是偏向力，偏向力对补偿器产生一定的扭矩，对于轴向波纹补偿器来说，管壁较薄抗扭矩能力差，极易失稳。因此施工中为保证管系在安装补偿器处的同轴度公差处于最小，建议在安装补偿器前先将管段敷设好，然后在准备安装补偿器处将管子割下一段（其长度等于补偿器的自由长度加预拉伸量），再将补偿器装上去焊接，采用割管法安装的办法。虽然造成少量管道浪费，却能保证管道同心度。
5结束语
波纹补偿器作为热网管道的关键组件，在热网的使用量也越来越大，但是波纹补偿器在我国应用时间仍较短，尚未有正式国家产品标准，另外厂家繁多，专利产品亦多，结构形式均有所不同，加之设计单位对补偿器的认识较浅应用经验不足，只是简单套用样本，因此出现问题是在所难免的。建议广大供热设计人员应加强调查研究，互相交流学习，总结经验，吸取教训，加强协作，在进行管网设计、补偿器选型计算和布置、组织施工等方面，掌握原则，正确运用，做到管网安全、经济、合理，杜绝安全事故产生。
