摘要: 近年來，波紋補償器作為關鍵組件在熱力管網中的應用也越來越廣泛，然而，波紋補償器在管網中應用布置不當，會引起整個管系的破壞，甚至釀成惡性事故。本文結合多年的實踐經驗對波紋補償器在熱力管網中的設計布置進行探討。

關鍵字:集中供暖,補償器,熱力管網
    波紋補償器以其結構緊湊、補償量大、流動阻力小、零泄漏、不用維修等諸多優點在熱網中的應用也越來越廣泛。但它也有不易解決的缺點：例如軸向型波紋補償器對固定支架產生壓力推力，造成固定支架推力大，從而造價高；另外波紋補償器管壁較薄不能承受扭力、振動，安全性差；設備投資高、設計要求嚴、施工安裝精度高、往往達不到預期壽命等一系列缺點。鑒于波紋補償器存在的這些缺點，又由于許多設計、施工人員對波紋補償器的認識還不夠全面，因此導致施工與運行期間容易發生事故。分析事故原因，有的事故屬于波紋補償器自身的制造質量或選材不當的問題，有的屬于施工問題，更有相當大的一部分屬于設計布置問題。在設計方面發生問題，多數屬于不明白波紋補償器管道設計特點造成計算失誤和補償管系選定不合理。
    波紋管是構成波紋補償器最主要元件。波紋管主要性能包括：補償量、彈性剛度，耐壓強度、穩定性、疲勞強度等，一般設計熱力管網要求波紋管是在滿足強度、穩定性、和疲勞壽命前提下，補償量越大越好剛度值越小越好。波紋管通過附加的拉桿、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償器，通過不同的波紋補償器組合方式又可以構成各種形式的補償管系以完成熱力管網補償需要。波紋補償器組合分為軸向補償器、角向補償器，復式拉桿補償器管系，采用角向與復式拉桿補償器更接近自然補償管系受力形式，不用考慮內壓推力，采用軸向補償器因承受較大內壓力，補償量大。同心精度要求高，發生問題也較多。下面重點對采用軸向補償器管系談一些體會和改進意見。 

補償器支架受力基本原則 
    軸向波紋管補償器受力支架分為主固定支架、次固定支架、導向支架。 
    固定支架推力計算： 
    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。內壓推力由波紋管有效截面積及工作壓力所決定，內壓推力與工作壓力、有效截面積成正比，一般來說，波紋管補償器的內壓推力都較大;

    （2）波紋管剛度產生的彈性力PA＝K*f*L 
    其中為K波紋管剛度，L為管道實際伸長量，f為系數，預拉伸時為0.5，否則為1。 
    （3）固定支架間滑動摩擦反力qμl  
    其中q為管道重量，μ為摩擦系數，l為管道自由端至固定端的距離。 
    主固定支架水平推力=內壓推力+摩擦反力+彈性力 
    如果不同心還將計入因偏心造成對固定支架的彎距和側向推力。主固定支架水平推力巨大，大管徑可達上百噸，土建布置困難，需進行全面結構核算，屬于重載支架。 
    次固定支架，受力與主固定支架相同，但內壓推力平衡抵銷，總推力較小，與主固定支架不是一個數量級，屬于中間減載支架。 
    計算固定點推力時，應分別計算固定點每側的受力，然后再合成。固定點兩側的方向相同時，采用兩個力的矢量和作為固定點推力。兩個力方向相反時，用絕對值大的力減去絕對值小的力的0.7倍，作為固定點的推力。 
    導向支架是控制沿管道或補償器運動方向運動,確保管段膨脹作用于補償器上并保證管道不發生失穩. 
    一般補償器廠家樣本不僅對產品規格結構參數情況做詳細說明而且有應用實例推力計算通用安裝要求,較為詳盡.可以作為設計依據. 
    固定支架微小位移中對波紋補償器的影響： 
    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設計，在自然補償管系中，整個管系都參與補償變形，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，并且可以減少應力集中。在波紋補償器管系中情況則大為不同，如果處理不當對波紋補償器的安全影響很大。一種微小熱位移的可動設計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。相國標圖集403.022-02擋板式固定支架對于自然補償管系（角向、復式拉桿補償情況類似）是否焊接現在爭論較大，另外蒸汽直埋管道現多采用鋼套鋼內固定方式，這種結構方式是為減少熱橋的傳熱，固定環在內外環板之間增加橡膠板等隔熱材料，內外環板通常不焊接，可以自由活動，當固定支架受較大力或水擊振動會產生一定量位移，有時還發生縱向微量位移，對補償器產生扭矩作用，這種位移對波紋補償器有一定影響。 
    2波紋補償器設置位置的探討 
    按照通常做法，軸向型波紋補償器均布置在緊靠固定支架旁，然后緊接兩個導向支架，距離分別4Dg、14Dg，主要目的以防止其軸向失穩，蒸汽直埋管道靠保溫材料及外套鋼管進行支撐或導向、熱水直埋管主要靠與保溫材料形成整體由土壤、沙層控制。但筆者認為，這種布置方式出發點是好的，但在實際運用中受地形限制，架空管系支架過多，則布置困難；直埋管系地下障礙物過多，可能有過多翻彎產生，要求補償器只能布置在直管段，這種在固定支架側設補償器的形式，可能會因管線位移造成波紋補償器每個波節吸收位移的工作能力傳遞不均，發揮的補償能力不充分。我們認為解決補償器軸向失穩問題除與其布置、設置位置有關外，更主要的是取決于補償器自身的性能與質量，只布置在固定支架側的補償器性能與質量要求應更高一些，管線分段距離一般應小一些，進行選型時一定要選自導向性好，抗失穩能力強的補償器，設計布置按照基本原則，根據工程的實際情況，靈活對待處理，實踐情況證明，無論是架空還是直埋地溝，只要做好導向結構控制，波紋補償器可以設置在兩固定支架的任一位置。 
    3蒸汽直埋管道一種設計方式存在的問題 
    蒸汽直埋管道管系有時為減少固定支架的數量，往往布置成“駐點”形式：直埋管道兩個規格型號相同的相鄰補償器之間管線中點不設固定點，當管道受熱均勻膨脹時，在兩個補償器中間必然形成一個力的相對平衡點，即駐點。理論上以該點為界管道向左右兩個方向均勻膨脹，一般認為，力的平衡點可能會因管道受力不均勻而發生少許偏移，一般按20%余量進行考慮補償器設置。筆者認為，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，設兩只補償器規格型號完全相同，均為120㎜，于2000年進行對此段管道更換，拆解后發現一只補償器已被壓扁，壓縮量200mm，另一只不僅未起到補償壓縮作用，反而被拉長50mm，一個補償器伸長對另一個補償器造成過度壓縮從而使兩個補償器均發生破壞失效。造成這種情況的原因較為復雜：一是補償器自身質量偏差較大，雖型號規格相同但剛度值差距大無法自由壓縮；二是受管材加工制作質量與安裝質量影響，無法自由伸縮，“駐點”固定支架兩側管道受力不均，造成駐點偏移大，“駐點”不固定，使波紋補償器無法承受，最終造成破壞。除非對補償器自身作較大改進，保證波紋間均布限位使波紋補償器剛度均衡趨于一致，否則采用普通補償器條件下，還應按照美國EJMA規定每兩個固定支架之間只設一個補償器的原則。 
    4管道水擊對波紋補償器布置要求 
    水擊對波紋補償器影響極大。.蒸汽管道無論是地上架空還是地下地溝或直埋管道，都存在著水擊問題，水擊產生的能量釋放不出來，最終作用在管道保溫結構、支架、補償器及閥門上。彎頭處或管道出地處，發生水擊情況較多，但因管道是剛性的，抗水擊能力強，波紋補償器波紋是柔性體，無法抵御水擊瞬間劇增壓力波沖擊振動，造成破壞從破壞的部位來看，一是波紋，二是導流套，而最薄弱的環節是波紋補償器的波紋，水擊的結果造成波紋變形甚至破裂，導流套倒個或撕裂，嚴重危害管網安全。防止水擊的措施：除合理根據熱負荷確定相應管徑，有針對性設置好疏水點，有效及時進行疏水外，在補償器的設計布置方式上，也應加以改進。建議將波紋補償器遠離彎頭及上翻處固定支架，改在靠近另一側固定支架，這樣即使管道中存在少量積水，但作用位置遠離補償器，可大大減少水擊的對波紋補償器造成的破壞。另外選用外壓補償器，改進導流套形式也能起到一定的防范水擊作用。 
    (1)現場變更對波紋補償器的影響 
    熱力管網有時雖然原始設計很好，但由于進行施工后經常遇到障礙，現場實際情況與設計往往出入很大，不得不做大量的實際設計變更，對自然補償管道只要處理適當不會產生很大影響，但對軸向補償器管路影響非常大，不少施工單位對此沒有充分認識，某些固定支架在管道改變走向后，原來不承受壓力推力改為承受壓力推力或者產生較大彎距，支架受力結構形式發生重大變化，處置不當很容易推壞固定支架，導致事故發生。   

    由于施工單位專業化程度普遍較低，主要靠設計單位對施工的熱網布置整體性進行控制，在管線變更較大情況下，應特別注意管道的受力形式是否符合補償器布置基本原則，通過合理分段，保證管線呈直線，控制拐點產生，減少作用于固定支架與導向支架的彎矩及側向推力，進而保證管系安全合理。這對于設計人員最為重要，除了不斷積累經驗外，一定要形成明確設計思路，才能提高設計補償器管系的水平。 

    (2)設計中考慮延緩補償器壽命、預防腐蝕 
    影響波紋管補償器壽命的因素有很多，一是破壞失穩，二是腐蝕。在城市熱網中使用的補償器，理論計算壽命大約6000——10000次，其安全系數為15倍，實際許用壽命應大于400次，一個連續運行的熱網，如果每年起動約20次左右，其許用正常壽命應該在20年以上。實際應用中卻不是這樣，用不了三五年即被換掉，十幾年前安裝的補償器幾乎沒有，在設計中有一條名言“腐蝕始于圖紙”，要求我們在管路設計時，不僅固定支架的位置要合理，導向支架距離要適當，導向支架要有防止補償器失穩的措施，另外設計布置也應考慮預防腐蝕問題，這方面往往被忽略。通過實際檢查發現，布置在檢查井或者地溝內的補償器腐蝕較快，特別是熱水管網檢查井內供水管上的補償器最為嚴重，而回水管的基本無腐蝕，經分析主要原因是供回水補償器及管段形成原電池效應，發生電化學腐蝕。這類問題發生均可以通過設計優化的方法予以解決，在布置補償器時尤其注意最好不并列布置，有條件的應加大補償器間距，敷設時最好采用全埋方式不設檢查井，做好標記，如必須設在檢查井內，必須做好防水保溫，防止污水雨水進入，減少腐蝕條件，阻斷形成原電池效應回路。 
    (3)設計中預先考慮水壓試驗方案 
    某熱力管道采用軸向補償器，施工中施工隊伍采用分段打壓試驗，自行選定分段點設臨時盲板，盲板力沒有作用在主固定支架上，而是作用在次固定支架上。按1.5倍試驗壓力升壓時將固定支架拉壞。軸向型補償器管路分段打壓時，分段點應選擇可承受水壓試驗壓力的主固定支架，無法做到這一點時，應對分段點承受盲板力的次固定支架進行臨時加固，使其能夠承受盲板力。由于主次固定支架推力相差太大，臨時加固的辦法很難實施分段，因此最好的辦法是設計中預先考慮水壓試驗或吹掃方案，打壓的分段點的位置最好由業主方、設計方、施工單位共同確定，由設計單位負責技術交底，業主方根據設計單位意見組織實施。 
    (4)施工安裝對軸向波紋補償器的影響 
    有時候補償器布置形式不合理或設計采取措施不得當，施工安裝中很容易出現偏差，造成受力方向主要不是軸向力，而是偏向力，偏向力對補償器產生一定的扭矩，對于軸向波紋補償器來說，管壁較薄抗扭矩能力差，極易失穩。因此施工中為保證管系在安裝補償器處的同軸度公差處于最小，建議在安裝補償器前先將管段敷設好，然后在準備安裝補償器處將管子割下一段（其長度等于補償器的自由長度加預拉伸量），再將補償器裝上去焊接，采用割管法安裝的辦法。雖然造成少量管道浪費，卻能保證管道同心度。 
    5結束語 
    波紋補償器作為熱網管道的關鍵組件，在熱網的使用量也越來越大，但是波紋補償器在我國應用時間仍較短，尚未有正式國家產品標準，另外廠家繁多，專利產品亦多，結構形式均有所不同，加之設計單位對補償器的認識較淺應用經驗不足，只是簡單套用樣本，因此出現問題是在所難免的。建議廣大供熱設計人員應加強調查研究，互相交流學習，總結經驗，吸取教訓，加強協作，在進行管網設計、補償器選型計算和布置、組織施工等方面，掌握原則，正確運用，做到管網安全、經濟、合理，杜絕安全事故產生。