波纹管补偿器在热网工程的应用_工程实践

摘要

摘要：介绍了波纹管补偿器的特点，分析了选型、应用中出现的问题及可能产生的不良后果。提出波纹管补偿器在热网中设计布置方法及改进意见。关键词：波纹管补偿器；热补偿；供热热网Ap

摘要：介绍了波纹管补偿器的特点，分析了选型、应用中出现的问题及可能产生的不良后果。提出波纹管补偿器在热网中设计布置方法及改进意见。

关键词：波纹管补偿器；热补偿；供热热网

Application of Bellows Type Expansion Joint in Heat-supply Network Project

QI Lian-zhong，JIANG Lin-qing

Abstract：The characteristics of bellows type expansion joint are introduced，and the problems and the adverse effect in lectotype and application are analyzed. The design layout method and improvement suggestions of bellows type expansion joint in heat-supply network are put forward.

Key words：bellows type expansion joint；compensation of thermal expansion；heat-supply network

集中供热具有节约能源、减少污染、有利生产、方便人民群众生活的综合性经济、环境和社会效益，多年来，特别是进入20世纪90年代以来，在全国各级政府的高度重视和扶持下，得到飞速发展，取得了巨大的成就，在城市基础设施中发挥越来越重要作用^[1、2]。波纹管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越来越广泛，成为热网中的一个关键部件，但波纹管补偿器因自身构造原因相对比较薄弱，在直埋敷设热网中成为事故多发部件。提高波纹管补偿器工作安全性、使用寿命是业内人士关心的问题。本文对波纹管补偿器在集中供热热网工程中的应用进行探讨。

1 在设计与应用中应注意的问题

1.1 补偿器的选型

波纹管补偿器是一种挠性、薄壁、有横向波纹的具有伸缩功能的器件，它由金属波纹管与构件组成。波纹管补偿器利用自身的弹性变形功能，补偿管道由于热变形、机械变形和各种机械振动而产生的轴向、角向、侧向及其组合位移。按波纹管的位移型式，可分为轴向型、横向型、角向型及压力平衡型波纹管补偿器。轴向型波纹管补偿器主要包括：内压式、外压式、复式、平衡式等。

补偿器选型的步骤：通常是在设计中配合工艺设计、管道布置，首先选择固定管道的位置，借助于固定点，将复杂的管系划分为简单的、一定数量的单个膨胀管段，再计算出这些管段的轴向位移、横向位移和角位移。然后根据管内流动的介质、压力、温度、位移量、有无振动、工程外部条件等选择补偿器^[3、4]。

热水管网中直埋补偿器配合传统的聚氨酯泡沫保温管使用，关键在于做好补偿器的绝热、防水。在无地表水地区使用自然无问题，在地表水位高的地区补偿器防水就特别关键。在很多情况下采用无补偿冷安装技术，而不使用波纹管补偿器的工程越来越多。实际工程中，对于应力较集中的位置，为了消除管道应力，保护管网的安全运行，不得不采用补偿器等措施，消除应力的影响。因此，做好补偿器防水，确保外防护管连续、严密，这样外防护管可实现封闭，避免地下水侵蚀波纹管。

轴向型波纹管补偿器的结构简单、价格低、占用空间小、阻力小，在热网中得到了广泛应用。外压轴向型波纹管补偿器在抗冲击、防失稳、波纹间不藏匿泥沙等性能上优于普通轴向型，在重要场所应作为首选。

武威热电联产集中供热工程一级管网工程中，管道最大规格为DN 1200mm，管网双向长度为24km。该工程采用冷安装直埋敷设方式，管道的热补尽量利用自然补偿，对三通、阀门、变径等薄弱环节，在应力不满足安全条件时，采用外压轴向型波纹管补偿器，直埋方式不设检查井，在距离80～200m内合理设置固定支座及补偿器。采用预制直埋保温管，保温材料采用聚异氰尿酸泡沫塑料，外保护层采用高密度聚乙烯套管，并配备相应的管道附件及保温管接头材料。由于聚异氰尿酸泡沫塑料与钢管紧密的结合有效隔绝了钢管外表面与空气、水的接触，因此具有良好的防腐效果。波纹管补偿器的直埋敷设方式具有占地少、施工方便、施工期短、维修量小、寿命长等优点，现已成为城市热网采用的主要方式。

1.2 补偿器的补偿能力

热网设计中要确定波纹管补偿器的补偿能力。理论上轴向型波纹管补偿器的补偿能力是无限的，只要波数多，补偿能力就大。但从稳定性角度出发，轴向型波纹管补偿器的波数则是有限的。常用的方法是用波段来表示补偿能力，通常一个波段包含了8个波，可将补偿器做成一波段、两波段，最多做成三波段，设计中以两波段应用最多。根据选定的补偿器能力，将热网分隔成若干补偿段。

热网在工作中参数(压力、温度)经常变化，波纹管补偿器几乎每时每刻都在缩短或伸长，但每次变化极少达到补偿器额定伸缩距离。为此，设计者可按用户性质和管道分类来确定补偿器的荷载；或者先定补偿器，依据补偿器的能力合理确定补偿段长度。

1.3 补偿器的损坏原因

波纹管补偿器的波纹管壁厚度只有1mm左右。尽管采用双层或三层，但相对管道而言其壁厚要薄很多，因此波纹管补偿器在热网中成为薄弱的部件。在各种事故中，补偿器损坏的概率最高。热力管网中波纹管补偿器损坏的原因主要为疲劳损坏、腐蚀^[5]、水击。通过实际检查发现，布置在检查井或者管沟内的补偿器腐蚀较快，特别是热水管网检查井内供水管补偿器最为严重，主要原因是发生电化学腐蚀。这类问题可以通过设计优化予以解决，在布置补偿器时尤其注意最好不并列布置，有条件的应在供回水管道上错位布置(错开一个补偿器的距离就可以)，敷设时最好采用直埋方式不设检查井，并做好标志。若必须设在检查井内，必须做好防水保温，防止污水雨水进入。

水击对波纹管补偿器的影响极大，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，由于管道是刚性的，抗水击能力强。但波纹管补偿器的波纹是柔性体，无法抵御水击，从而造成破坏。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，水击的结果造成波纹变形甚至破裂，导流套翻转或撕裂，严重危及管网安全。

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。建议将波纹管补偿器远离弯头及上翻处的固定支座，改在靠近另一侧固定支座，这样即使管道中存在少量积水，但水击作用点的位置也远离补偿器，可大大减少水击对波纹管补偿器造成的破坏。另外选用外压轴向型波纹管补偿器，改进导流套形式也能起到一定的防范水击作用。

2 布置、安装及施工

轴向型波纹管补偿器具有结构紧凑、补偿量大、流动阻力小、零泄漏、不用维修等诸多优点，但它也有不易解决的缺点，例如轴向型波纹管补偿器对固定支座产生压力推力，造成固定支座推力大；波纹管补偿器管壁较薄，不能承受扭力、振动，安全性差；设备造价较高，设计要求严，施工安装要求精度高，往往达不到预期寿命。轴向型波纹管补偿器存在的这些缺点，易导致施工与运行期间发生事故。

2.1 布置位置的影响

按照通常做法，轴向型波纹管补偿器均布置在紧靠固定支座旁，然后紧接两个导向支架，距离分别为4倍、14倍公称直径，主要目的是防止波纹管补偿器轴向失稳。蒸汽直埋管道靠保温材料及外套钢管进行支撑或导向；热水直埋管道主要靠与保温材料形成整体，由土壤、砂层控制。但笔者认为，这种布置方式出发点是好的，却在实际运用中受地形、架空管系支架过多的限制，布置困难；直埋管系地下障碍物过多，可能有过多翻弯产生，要求波纹管补偿器只能布置在直管段，这种在固定支座侧设补偿器的形式，可能会因管道位移造成波纹管补偿器每个波吸收位移的工作能力传递不均，发挥的补偿能力不充分。

笔者认为解决波纹管补偿器轴向失稳问题除与布置位置有关外，更主要的是取决于补偿器自身的性能与质量，只布置在固定支座侧的补偿器性能与质量要求应更高一些，管道分段距离一般应小一些。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、管沟还是直埋敷设，只要做好导向结构控制，波纹管补偿器可以设置在两固定支座的任一位置。

2.2 相邻直埋补偿器之间不设固定点的影响

在直埋管道管系中，为减少固定支座的数量，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道中点不设固定点，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。笔者认为，这种布置方式值得商榷。武威市城南集中供热有限责任公司有一段直埋管道(Ø630×10)采用这种布置方式，固定支座之间距离为206m，两只补偿器规格型号完全相同，补偿量均为150mm。在2008年热网运行中，其同侧两个补偿器相继发生故障，拆解后发现，一个补偿器已被压扁，压缩量200mm，另一个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，事故管段示意图见图1。

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差距大，无法自由伸缩；二是受管材加工制作质量与安装质量影响，无法自由伸缩，驻点两侧管道受力不均，造成驻点偏移大，驻点不固定，使波纹管补偿器无法承受，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管补偿器刚度均衡趋于一致，否则采用普通补偿器条件下，还应按照每两个固定支座之间只设一个补偿器的原则进行布置(见图2)。

2.3 施工现场变更的影响

由于种种原因，热力管网的现场施工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，但对采用轴向波纹管补偿器的管道影响非常大，不少施工单位对此没有充分认识。某些固定支座在管道改变走向后，原来不承受压力推力改为承受压力推力或者产生较大弯矩，导向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座，导致事故发生。

由于施工单位专业化程度较低，主要靠设计单位对施工的热网布置整体性进行控制。在管道变更较大情况下，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，保证管道呈直线，控制拐点产生，减少作用于固定支座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，一定要形成明确的设计思路，才能提高设计补偿器管系的水平。

2.4 设计中预先考虑水压试验方案

某热力管道采用轴向型波纹管补偿器，施工单位采用分段打压试验，自行选定分段点设临时盲板，盲板力没有作用在主固定支座上，而是作用在次固定支座上。按试验压力升压时，次固定支座被拉坏。在分段打压时，分段点应选择可承受水压试验压力的主固定支座，无法做到这一点时，应对分段点承受盲板力的次固定支座进行临时加固，使其能够承受盲板力。由于主次固定支座承受的推力相差太大，临时加固的办法很难实施，因此最好的办法是设计中预先考虑水压试验或吹扫方案，分段点的位置最好由业主、设计、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。安装时要注意保证导流套筒的方向与流动方向一致。补偿器安装完毕进行系统水压试验前，要将管道两端固定，防止内压推力拉伸补偿器。

2.5 安装对轴向波纹管补偿器的影响

波纹管补偿器由一个或多个波纹管串接在一起，波纹管外有可使波纹管轴向移动的外套筒，既是保护装置，又保持了波纹管的稳定性。由于轴向波纹管补偿器布置形式不合理或设计不当，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，这易对补偿器产生一定的扭矩。对于轴向波纹管补偿器，管壁较薄，抗扭矩能力差，极易失稳。因此施工中为保证补偿器的同轴度公差最小，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)，再焊接补偿器，即采用割管法安装。虽然造成少量管子消耗，却能保证管道同心度。

3 结语

波纹管补偿器之所以能够在供热行业中得到广泛应用，除具有良好的补偿能力之外，高可靠性是主要原因。其可靠性是通过设计、制造、安装、运行管理等多个环节来保证的，任何一个环节的失控都会导致补偿器寿命的降低甚至失效。造成波纹管补偿器失效的原因：设计占10%，制造厂家偷工减料占50%，安装不符合设备说明要求占20%，其余由运行管理不当引起。建议广大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。

参考文献：

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[2] 王强.轴向型波纹补偿器在架空热力管网的应用[J].煤气与热力，1996，16(3)：70-72.

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[5] 杨帆，孙智，马景涛，等.供热管道波纹管补偿器的腐蚀失效[J].煤气与热力，2005，25(6)：13-16.

(本文作者：祁连中¹ 姜林庆² 1.武威市城南集中供热有限责任公司甘肃武威 733000；2.建设部沈阳煤气热力研究设计院辽宁沈阳 110026)