供热管道热补偿方式在工程应用的优选_工程实践

摘要

摘要：对管沟敷设供热管道的热补偿方式优选原则进行了探讨。结合工程实例，讨论了在复杂敷设条件下，补偿管段划分及补偿器选取对固定支座推力的影响。通过合理划分补偿管段、布置

摘要：对管沟敷设供热管道的热补偿方式优选原则进行了探讨。结合工程实例，讨论了在复杂敷设条件下，补偿管段划分及补偿器选取对固定支座推力的影响。通过合理划分补偿管段、布置补偿器可有效消除内压产生的不平衡力，减少大推力固定支座的数量，降低施工难度、工程造价。

关键词：大管径；补偿管段；热补偿方式；大推力固定支座

Optimal Selection of Thermal Compensation Methods of Heating Pipeline in Engineering Application

BAI Liying，SUN Lei，FENG Jibei

Abstract：The principles for optimal selection of thermal compensation methods of heating pipeline in-duct installation are explored.The influences of division of the compensation sections and selection of compensator on the thrust for fixed supports under the complex installation conditions are discussed with an engineering example.Dividing the compensation sections and installing compensators rationally can effectively eliminate the unbalanced force resulting from the internal pressure，reduce the number of high thrust fixed supports and decrease the construction difficulty and the engineering cost.

Key words：large diameter；eompensation section；thermal compensation method；high thrust fixed support

城镇供热管道当采取管沟敷设方式时，必须采用固定支座将供热管道划分成若干补偿管段，根据实际情况采取补偿措施。热水供热管道运行压力较高，由于补偿器的设置而产生的内压不平衡力较大。如果固定支座两侧的内压不平衡力不能相互抵消，管道固定支座推力则可能很大，对于大管径高压力管道固定支座(以下简称大推力固定支座)的推力更大。在复杂的敷设条件下，合理划分管系、布置补偿器可有效地使内压不平衡力互相抵消，进而减少大推力固定支座的数量。本文对供热管道热补偿方式在工程应用中的优选进行探讨。

1 热补偿方式

管沟敷设管道布置灵活，运行期间易于发现故障点，便于维修，适用于供热范围广、管径大、压力高、对安全可靠性要求高的工程。管沟敷设供热管道须利用固定支座和热补偿装置将整个管系分为若干热补偿管段，用热补偿装置吸收管道温度变化引起的热位移。

在供热管道热补偿设计中，在同一补偿管段中最为经济的是采用自然补偿方式，当自然补偿不能满足条件时，设置补偿器进行补偿。

① 自然补偿

当管系中存在转角管段时，可利用转角管段的挠曲变形补偿热位移，以减少补偿器的数量，但补偿量有限。自然补偿在厂区架空管道及庭院管道中应用较多，沿市政道路敷设的供热管道，由于受条件限制，只有局部可以采用自然补偿方式。

② 补偿器补偿

设置补偿器是吸收管沟敷设供热管道热位移的有效方法，波纹管补偿器在供热工程应用广泛，在工程中常用的类型为外压轴向型波纹管补偿器、铰链型波纹管补偿器、复式拉杆型波纹管补偿器：外压轴向型波纹管补偿器吸收轴向热位移，补偿量比较大，应用在长直管段上。铰链型波纹管补偿器以角位移的方式吸收平面弯曲管段的热位移，补偿量大，补偿距离长。复式拉杆型波纹管补偿器以横向位移方式吸收平面或立面弯曲管段的热位移，补偿量一般不大。

③ 热补偿设计

对于长直管段应考虑采用外压轴向型波纹管补偿器。管道布置中有平面弯曲管段或竖向弯曲管段时，可采用自然补偿、铰链型波纹管补偿器及复式拉杆型波纹管补偿器。特殊情况下，考虑其他补偿方式。

2 固定支座推力组成

① 管道热胀冷缩受约束产生的作用力只，对于管沟敷设等效为滑动支座摩擦力在管道中产生的轴向力，计算式为：

F_f=μWL (1)

式中F_f——管道热胀冷缩受约束产生的作用力，N

μ——钢管与滑动支座间的摩擦系数，一般取0.3

W——管道单位长度的设计重量，N/m

L——管道自由端至固定端的距离，m

② 内压不平衡力F_A的计算式为：

F_A=p₀A (2)

式中F_A——内压不平衡力，N

p₀——管道工作压力，Pa

A——对于采用外压轴向型波纹管补偿器的

管段，为波纹管有效截面积，m²

内压不平衡力由波纹管有效截面积及工作压力所决定，对于长直管段，内压不平衡力可完全抵消。但在复杂的敷设条件下，内压不平衡力难以抵消，设计时应尽量控制该力的出现。

③ 活动端位移产生的作用力，即由于管道热胀冷缩导致波纹管、弯管等变形而引起的作用力。波纹管补偿器活动端位移产生的作用力F_K的计算式为：

F_K=K_X△L (3)

△L=α_lL△t (4)

式中F_K——活动端位移产生的作用力，N

K_K——波纹管弹性刚度，N/mm

△L——补偿管段实际伸长量，mm

α_l——钢材的线膨胀系数，K^-1，取0.0125K^-1

△t——管道循环工作温差，℃

固定支座推力计算需根据固定支座两侧补偿段的划分及补偿类型的选择，综合分析上述3种作用力，进行力的合成计算。供热管道热补偿设计决定了固定支座的数量和推力，是固定支座结构设计的基础。

3 热补偿方式优选

当直管段热补偿方式采用外压轴向型波纹管补偿器时，在直管段与弯曲管段连接处存在内压不平衡力，此处设置的固定支座称为大推力固定支座。对于大管径、高压力的供热管道，大推力固定支座结构庞大，施工难度大，造价高。因此尽量减少大推力固定支座数量，就成为管系设计的一个重要课题。下面分析弯曲管段采用不同的热补偿方式对管系布置的影响。

① 采用自然补偿

自然补偿利用弯管自身的柔性进行热补偿，补偿能力较小。当弯曲管段两侧直管段均较长时，直管段需要设置外压轴向型波纹管补偿器，在弯头附近设置大推力固定支座，弯曲管段采用自然补偿是经济合理的方案。

② 采用铰链型波纹管补偿器

铰链型波纹管补偿器一般由3个组成1组，补偿器分别安装在转角管段两侧的管道上，利用3个补偿器在不同方向的角位移进行热补偿。调整3个补偿器之间连接管道的长度，可改变铰链型波纹管补偿器组的补偿能力。铰链型波纹管补偿器还分为平面型和万向型，平面型在每个补偿器上有1组铰链，补偿器两侧管道的热伸长方向与3个补偿器组成一个平面，可补偿2个方向的热伸长；万向型在每个补偿器上有2组铰链，可补偿立体管系的热伸长。因此，采用铰链型波纹管补偿器时，管系布置灵活，补偿能力大，适用范围广。在存在平面弯曲管段或竖向弯曲管段时，充分利用铰链型波纹管补偿器，可加大补偿段长度，减少大推力固定支座数量。

③ 采用复式拉杆型波纹管补偿器

复式拉杆型波纹管补偿器安装在与直管段垂直方向的管道上，利用补偿器的横向位移进行热补偿，补偿能力大于自然补偿方式，但只能补偿与安装补偿器管道垂直的管段的热伸长。当弯曲管段一侧直线管段较长、另一侧较短时，或管道有竖向高程变化时，采用复式拉杆型波纹管补偿器与自然补偿相比，可以大大增加弯曲管段的补偿能力。

4 工程案例分析

4.1 工程概况

三河热电厂输热主干线为三河热电厂至北京通州供热区域的输送干线，三河热电厂位于河北省三河市燕郊开发区，与北京市通州区相邻，本项目是北京市第一次引进外省市热源为北京供热。三河热电厂输热主干线一期工程管道长度为22.5km，规格为DN 1400mm，设计压力为2.4MPa，供、回水温度为150、70℃，管道循环工作温差为150℃。该工程输送距离长，压力高，管径大，穿跨越工程多：5次穿越河流、3次穿越铁路、5次穿越高速公路。在管线转弯和穿跨越处，平面和高程布置受到诸多限制，是设计方案优化的重点。下面分析三河热电厂输热主干线的一个子项工程，通过优选补偿方式减少管系中大推力固定支座的数量，降低造价并缩短工期。

玉带河大街东延道路位于六环路以东、宋郎路以西，DN 1400mm供热管道沿玉带河大街东延道路敷设。为躲避跨越六环路的桥梁，供热管道穿越六环路的路由为玉带河大街东延道路永中以北30m，长约160m。供热管道穿越六环路后向南折至道路永中以南3m并向东敷设。由于玉带河大街东延道路在丰字沟设有桥梁，管道向南绕行穿越丰字沟，穿越长度约132m，丰字沟以东路由仍为道路永中以南3m。该段管道在东六环西侧路与丰字沟中间位置设置分支管线，管道走向见图1，图中数值单位为m。比较两种设计方案，方案1、2的管道平面布置见图2、3，图中数值单位为m。

4.2 设计方案

① 方案1

方案1：采用外压轴向型波纹管补偿器及自然补偿方式。节点7为管道分支位置，考虑在该处同时设置补偿器和固定支座易造成检查室体积过大，因此仅在该处设置固定支座。采用火力发电厂管道静力计算方法及程序计算得知，节点2～5、9～12及12～15均能实现自然补偿。对固定点作用力分析发现，节点2、5、9、15内压不平衡力不能抵消，为大推力固定支座。大推力固定支座结构设计采用配重法实现抗滑移，混凝土用量大，施工过程中由于工作坑较深，须加设钢板桩防护，土方量明显增加。

② 方案2

方案2：采用铰链型波纹管补偿器方式。铰链型波纹管补偿器利用平面弯曲管段的角位移实现热补偿，补偿长度大，符合该工程实际要求。为尽可能减少大推力固定支座，在节点7利用管道穿越障碍埋设较深的条件设置一个竖向方形弯安装铰链型波纹管补偿器。采用火力发电厂管道静力计算方法及程序计算得知，节点12～15可实现自然补偿。由于节点15以东长直管段约1km，不可避免采用外压轴向型波纹管补偿器(节点16)。因此，仅节点15的不平衡力不能抵消，为大推力固定支座。相对于方案1，减少了3个大推力固定支座(节点2、5、9)。

4.3 方案比较

方案1、2中节点1～15的补偿器及固定支座的造价见表1，大推力固定支座单价中包括钢板桩措施等增加的造价。

表1 方案1、2中节点1～15的补偿器及固定支座的造价

方案	方案1
附件名称	外压轴向型波纹管补偿器(补偿量为350mm)	外压轴向型波纹管补偿器(补偿量为200mm)	大推力固定支座
数量/个	4	6	4
单价/元	24.8×10⁴	17.5×10⁴	180.0×10⁴
合计/元	924.2×10⁴
方案	方案2
附件名称	铰链型波纹管补偿器(角位移量为8°)	铰链型波纹管补偿器(角位移量为4°)	大推力固定支座
数量/个	4	26	1
单价/元	8.7×10⁴	7.0×10⁴	180.0×10⁴
合计/元	396.8×10⁴

将方案1中节点1～15与方案2进行对比可知，方案1共有固定支座10个，其中2、5、9、15为大推力固定支座，而方案2在平面转角处利用铰链型波纹管补偿器，加大补偿段长度，并在中间长直管段上利用管道穿越障碍埋设较深的条件，设置竖向方形弯利用铰链型波纹管补偿器补偿直管段热伸长，减少了大推力固定支座数量。

由表1可知，仅大推力固定支座一项，方案2较方案1节省造价540×10⁴元，综合考虑补偿器增加对造价的影响，方案2较方案1减少约527.4×10⁴元。根据工程经验，大推力固定支座的施工期在2个月左右，因此在降低造价的同时，也缩短了施工期。

5 结论

在管沟敷设供热管道设计中，补偿段的划分及补偿形式的选择应结合固定支座推力计算结果，尤其在大管径、高压力的管道设计中，应利用管道埋深变化及平面转角，设置铰链型波纹管补偿器，尽可能减少大推力固定支座的数量，降低造价并缩短工期。

(本文作者：白丽莹孙蕾冯继蓓北京市煤气热力工程设计院有限公司北京 100032)