供熱管線(xiàn)熱應(yīng)力與熱補(bǔ)償技術(shù)探討

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(bǔ)償?shù)母鞣N方式和其優(yōu)缺點(diǎn)，為補(bǔ)償器的選擇提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞:供熱管線(xiàn)熱應(yīng)力布置類(lèi)型敷設(shè)方式

供熱管道通常都采用鋼管。鋼管工作時(shí)其長(zhǎng)度變化不妥善解決，將引起熱應(yīng)力。熱應(yīng)力會(huì)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(shí)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)茐墓艿老到y(tǒng)。

1.熱應(yīng)力計(jì)算

1.1管道受熱（冷）的自由伸長(zhǎng)量可按下式計(jì)算：

計(jì)算管道熱伸長(zhǎng)量，是為了確定補(bǔ)償器的所需補(bǔ)償量，或驗(yàn)算管道因熱伸長(zhǎng)而產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力，所以對(duì)于管道的熱伸長(zhǎng)量應(yīng)計(jì)算其最大值，即取冷態(tài)安裝條件的最低溫度和熱態(tài)運(yùn)行條件的最高溫度之間的最大溫差。由于管線(xiàn)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(shí)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(yàn)算與控制

為了防止供熱管道升溫時(shí)，由于熱伸長(zhǎng)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(bǔ)償器，以補(bǔ)償管道的熱伸長(zhǎng)，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(xiàn)敷設(shè)中，補(bǔ)償器是保證管道安全運(yùn)行的重要部件。

補(bǔ)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(gè)或幾個(gè)波紋的平面相對(duì)于波紋管軸線(xiàn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)而傾斜，但其波平面的圓心基本在波紋管的軸線(xiàn)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(guò)材料屈服強(qiáng)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(shí)際軸線(xiàn)成弧形或S形（在多波情況下呈S形）。這種情況多數(shù)是因?yàn)椴y數(shù)太多，波紋管有效長(zhǎng)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(duì)管道應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)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(jì)算：

σeq＝P[0.5do－Y(s－α)]/ s－α≤[σ]t MPa

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

Y－溫度對(duì)計(jì)算管線(xiàn)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(bǔ)償器的選擇

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

2.1自然補(bǔ)償器和方形補(bǔ)償器

自然補(bǔ)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(lái)補(bǔ)償管道的熱膨脹。常見(jiàn)的自然補(bǔ)償器有L形、Z形自然補(bǔ)償器。如圖

方形補(bǔ)償器通常是由四個(gè)90度無(wú)縫鋼管煨彎或機(jī)制彎頭構(gòu)成的U型補(bǔ)償器，依靠彎管的變形來(lái)補(bǔ)償管段的熱伸長(zhǎng)。

方形補(bǔ)償器制造安裝方便，不需要經(jīng)常維修，補(bǔ)償能力大，作用在固定點(diǎn)上的推力（即補(bǔ)償器的彈性力）較小，可用于各種壓力和溫度條件。缺點(diǎn)是補(bǔ)償器外形尺寸大，占地面積多。為了提高方形補(bǔ)償器的補(bǔ)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(zhǎng)量的50%，在極限情況下，其補(bǔ)償能力可比無(wú)預(yù)拉時(shí)提高一倍。

a圖:管井內(nèi)管道很長(zhǎng)時(shí)，可在某一層管井中將其拐彎形成一個(gè)方形補(bǔ)償器；

b圖：沿墻敷設(shè)的直管段在穿過(guò)墻時(shí)設(shè)補(bǔ)償器；

c圖：沿柱敷設(shè)的管道繞柱設(shè)方形補(bǔ)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(bǔ)償器或乙字彎形狀的管道。需要設(shè)置補(bǔ)償器的直管段長(zhǎng)度可查文獻(xiàn)。

2.2套筒式補(bǔ)償器

套筒補(bǔ)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(bǔ)償。

當(dāng)管道溫度變化時(shí)，芯管可在外殼管內(nèi)移動(dòng)進(jìn)行熱補(bǔ)償。填料圈被壓蘭壓緊在內(nèi)外管之間其密封作用，但同時(shí)也增加了泄漏點(diǎn)。使用幾年后填料性能變化每隔一定時(shí)間要進(jìn)行更換。其特點(diǎn)是補(bǔ)償能力大，一般可達(dá)250~400mm,占地小，介質(zhì)流動(dòng)阻力小，造價(jià)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(xiàn)管路上，多用于管井、管溝中，補(bǔ)償器與管道采用焊接連接。

2.3波紋管補(bǔ)償器

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

波紋管補(bǔ)償器以其體積小、重量輕、節(jié)省鋼材、占地面積小、流動(dòng)阻力小、不易滲漏，已開(kāi)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(bǔ)償能力和承壓能力，應(yīng)用新技術(shù)制造的波紋管補(bǔ)償為其在熱力管線(xiàn)中的應(yīng)用提供了可靠的保證。

波紋管補(bǔ)償器根據(jù)位移形式可基本分為軸向、橫向、角向三類(lèi)，每一類(lèi)都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，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(bǔ)償器正常工作，做到波紋補(bǔ)償器敷設(shè)選型經(jīng)濟(jì)、合理。

常用的軸向波紋管補(bǔ)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(bǔ)償器與波紋管補(bǔ)償器沿軸向補(bǔ)償和直線(xiàn)位移，它們應(yīng)靠近固定支架安裝，必要時(shí)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(bǔ)償器

它是靠一組兩個(gè)或三個(gè)球形接頭的靈活轉(zhuǎn)動(dòng)及其所構(gòu)成的

相應(yīng)角度變化來(lái)補(bǔ)償管道的膨脹。

特點(diǎn)：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(zhǎng)，運(yùn)行可靠，占地面積小，基本上無(wú)需維修，補(bǔ)償能力大。工作時(shí)變形應(yīng)力小，減少了對(duì)支座的要求。適用于架空管道上。

3.結(jié)束語(yǔ)

熱力管線(xiàn)工程運(yùn)行是否正常直接關(guān)系到居民生活質(zhì)量，在敷設(shè)過(guò)程中應(yīng)遵循技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用的原則，作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程，從管線(xiàn)的敷設(shè)到管道的制造、安裝及管線(xiàn)的啟動(dòng)運(yùn)行，每個(gè)環(huán)節(jié)都直接影響著工程的成敗。而一項(xiàng)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(jià)。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(jià)，同時(shí)還由于敷設(shè)不當(dāng)而削弱了熱力管線(xiàn)運(yùn)行的安全性和可靠性。

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