波紋管補償器在熱網工程的應用

摘 要

摘要：介紹了波紋管補償器的特點，分析了選型、應用中出現的問題及可能產生的不良后果。提出波紋管補償器在熱網中設計布置方法及改進意見。關鍵詞：波紋管補償器；熱補償；供熱熱網Ap
摘要：介紹了波紋管補償器的特點，分析了選型、應用中出現的問題及可能產生的不良后果。提出波紋管補償器在熱網中設計布置方法及改進意見。
關鍵詞：波紋管補償器；熱補償；供熱熱網
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
    集中供熱具有節約能源、減少污染、有利生產、方便人民群眾生活的綜合性經濟、環境和社會效益，多年來，特別是進入20世紀90年代以來，在全國各級政府的高度重視和扶持下，得到飛速發展，取得了巨大的成就，在城市基礎設施中發揮越來越重要作用[1、2]。波紋管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越來越廣泛，成為熱網中的一個關鍵部件，但波紋管補償器因自身構造原因相對比較薄弱，在直埋敷設熱網中成為事故多發部件。提高波紋管補償器工作安全性、使用壽命是業內人士關心的問題。本文對波紋管補償器在集中供熱熱網工程中的應用進行探討。
1 在設計與應用中應注意的問題
1.1 補償器的選型
    波紋管補償器是一種撓性、薄壁、有橫向波紋的具有伸縮功能的器件，它由金屬波紋管與構件組成。波紋管補償器利用自身的彈性變形功能，補償管道由于熱變形、機械變形和各種機械振動而產生的軸向、角向、側向及其組合位移。按波紋管的位移型式，可分為軸向型、橫向型、角向型及壓力平衡型波紋管補償器。軸向型波紋管補償器主要包括：內壓式、外壓式、復式、平衡式等。
    補償器選型的步驟：通常是在設計中配合工藝設計、管道布置，首先選擇固定管道的位置，借助于固定點，將復雜的管系劃分為簡單的、一定數量的單個膨脹管段，再計算出這些管段的軸向位移、橫向位移和角位移。然后根據管內流動的介質、壓力、溫度、位移量、有無振動、工程外部條件等選擇補償器[3、4]。
    熱水管網中直埋補償器配合傳統的聚氨酯泡沫保溫管使用，關鍵在于做好補償器的絕熱、防水。在無地表水地區使用自然無問題，在地表水位高的地區補償器防水就特別關鍵。在很多情況下采用無補償冷安裝技術，而不使用波紋管補償器的工程越來越多。實際工程中，對于應力較集中的位置，為了消除管道應力，保護管網的安全運行，不得不采用補償器等措施，消除應力的影響。因此，做好補償器防水，確保外防護管連續、嚴密，這樣外防護管可實現封閉，避免地下水侵蝕波紋管。
   軸向型波紋管補償器的結構簡單、價格低、占用空間小、阻力小，在熱網中得到了廣泛應用。外壓軸向型波紋管補償器在抗沖擊、防失穩、波紋間不藏匿泥沙等性能上優于普通軸向型，在重要場所應作為首選。
   武威熱電聯產集中供熱工程一級管網工程中，管道最大規格為DN 1200mm，管網雙向長度為24km。該工程采用冷安裝直埋敷設方式，管道的熱補盡量利用自然補償，對三通、閥門、變徑等薄弱環節，在應力不滿足安全條件時，采用外壓軸向型波紋管補償器，直埋方式不設檢查井，在距離80～200m內合理設置固定支座及補償器。采用預制直埋保溫管，保溫材料采用聚異氰尿酸泡沫塑料，外保護層采用高密度聚乙烯套管，并配備相應的管道附件及保溫管接頭材料。由于聚異氰尿酸泡沫塑料與鋼管緊密的結合有效隔絕了鋼管外表面與空氣、水的接觸，因此具有良好的防腐效果。波紋管補償器的直埋敷設方式具有占地少、施工方便、施工期短、維修量小、壽命長等優點，現已成為城市熱網采用的主要方式。
1.2 補償器的補償能力
   熱網設計中要確定波紋管補償器的補償能力。理論上軸向型波紋管補償器的補償能力是無限的，只要波數多，補償能力就大。但從穩定性角度出發，軸向型波紋管補償器的波數則是有限的。常用的方法是用波段來表示補償能力，通常一個波段包含了8個波，可將補償器做成一波段、兩波段，最多做成三波段，設計中以兩波段應用最多。根據選定的補償器能力，將熱網分隔成若干補償段。
   熱網在工作中參數(壓力、溫度)經常變化，波紋管補償器幾乎每時每刻都在縮短或伸長，但每次變化極少達到補償器額定伸縮距離。為此，設計者可按用戶性質和管道分類來確定補償器的荷載；或者先定補償器，依據補償器的能力合理確定補償段長度。
1.3 補償器的損壞原因
   波紋管補償器的波紋管壁厚度只有1mm左右。盡管采用雙層或三層，但相對管道而言其壁厚要薄很多，因此波紋管補償器在熱網中成為薄弱的部件。在各種事故中，補償器損壞的概率最高。熱力管網中波紋管補償器損壞的原因主要為疲勞損壞、腐蝕[5]、水擊。通過實際檢查發現，布置在檢查井或者管溝內的補償器腐蝕較快，特別是熱水管網檢查井內供水管補償器最為嚴重，主要原因是發生電化學腐蝕。這類問題可以通過設計優化予以解決，在布置補償器時尤其注意最好不并列布置，有條件的應在供回水管道上錯位布置(錯開一個補償器的距離就可以)，敷設時最好采用直埋方式不設檢查井，并做好標志。若必須設在檢查井內，必須做好防水保溫，防止污水雨水進入。
    水擊對波紋管補償器的影響極大，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，由于管道是剛性的，抗水擊能力強。但波紋管補償器的波紋是柔性體，無法抵御水擊，從而造成破壞。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，水擊的結果造成波紋變形甚至破裂，導流套翻轉或撕裂，嚴重危及管網安全。
    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。建議將波紋管補償器遠離彎頭及上翻處的固定支座，改在靠近另一側固定支座，這樣即使管道中存在少量積水，但水擊作用點的位置也遠離補償器，可大大減少水擊對波紋管補償器造成的破壞。另外選用外壓軸向型波紋管補償器，改進導流套形式也能起到一定的防范水擊作用。
2 布置、安裝及施工
    軸向型波紋管補償器具有結構緊湊、補償量大、流動阻力小、零泄漏、不用維修等諸多優點，但它也有不易解決的缺點，例如軸向型波紋管補償器對固定支座產生壓力推力，造成固定支座推力大；波紋管補償器管壁較薄，不能承受扭力、振動，安全性差；設備造價較高，設計要求嚴，施工安裝要求精度高，往往達不到預期壽命。軸向型波紋管補償器存在的這些缺點，易導致施工與運行期間發生事故。
2.1 布置位置的影響
    按照通常做法，軸向型波紋管補償器均布置在緊靠固定支座旁，然后緊接兩個導向支架，距離分別為4倍、14倍公稱直徑，主要目的是防止波紋管補償器軸向失穩。蒸汽直埋管道靠保溫材料及外套鋼管進行支撐或導向；熱水直埋管道主要靠與保溫材料形成整體，由土壤、砂層控制。但筆者認為，這種布置方式出發點是好的，卻在實際運用中受地形、架空管系支架過多的限制，布置困難；直埋管系地下障礙物過多，可能有過多翻彎產生，要求波紋管補償器只能布置在直管段，這種在固定支座側設補償器的形式，可能會因管道位移造成波紋管補償器每個波吸收位移的工作能力傳遞不均，發揮的補償能力不充分。
    筆者認為解決波紋管補償器軸向失穩問題除與布置位置有關外，更主要的是取決于補償器自身的性能與質量，只布置在固定支座側的補償器性能與質量要求應更高一些，管道分段距離一般應小一些。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、管溝還是直埋敷設，只要做好導向結構控制，波紋管補償器可以設置在兩固定支座的任一位置。
2.2 相鄰直埋補償器之間不設固定點的影響
在直埋管道管系中，為減少固定支座的數量，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道中點不設固定點，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。筆者認為，這種布置方式值得商榷。武威市城南集中供熱有限責任公司有一段直埋管道(Ø630×10)采用這種布置方式，固定支座之間距離為206m，兩只補償器規格型號完全相同，補償量均為150mm。在2008年熱網運行中，其同側兩個補償器相繼發生故障，拆解后發現，一個補償器已被壓扁，壓縮量200mm，另一個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，事故管段示意圖見圖1。
 
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差距大，無法自由伸縮；二是受管材加工制作質量與安裝質量影響，無法自由伸縮，駐點兩側管道受力不均，造成駐點偏移大，駐點不固定，使波紋管補償器無法承受，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管補償器剛度均衡趨于一致，否則采用普通補償器條件下，還應按照每兩個固定支座之間只設一個補償器的原則進行布置(見圖2)。
 
2.3 施工現場變更的影響
    由于種種原因，熱力管網的現場施工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，但對采用軸向波紋管補償器的管道影響非常大，不少施工單位對此沒有充分認識。某些固定支座在管道改變走向后，原來不承受壓力推力改為承受壓力推力或者產生較大彎矩，導向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座，導致事故發生。
    由于施工單位專業化程度較低，主要靠設計單位對施工的熱網布置整體性進行控制。在管道變更較大情況下，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，保證管道呈直線，控制拐點產生，減少作用于固定支座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，一定要形成明確的設計思路，才能提高設計補償器管系的水平。
2.4 設計中預先考慮水壓試驗方案
    某熱力管道采用軸向型波紋管補償器，施工單位采用分段打壓試驗，自行選定分段點設臨時盲板，盲板力沒有作用在主固定支座上，而是作用在次固定支座上。按試驗壓力升壓時，次固定支座被拉壞。在分段打壓時，分段點應選擇可承受水壓試驗壓力的主固定支座，無法做到這一點時，應對分段點承受盲板力的次固定支座進行臨時加固，使其能夠承受盲板力。由于主次固定支座承受的推力相差太大，臨時加固的辦法很難實施，因此最好的辦法是設計中預先考慮水壓試驗或吹掃方案，分段點的位置最好由業主、設計、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。安裝時要注意保證導流套筒的方向與流動方向一致。補償器安裝完畢進行系統水壓試驗前，要將管道兩端固定，防止內壓推力拉伸補償器。
2.5 安裝對軸向波紋管補償器的影響
    波紋管補償器由一個或多個波紋管串接在一起，波紋管外有可使波紋管軸向移動的外套筒，既是保護裝置，又保持了波紋管的穩定性。由于軸向波紋管補償器布置形式不合理或設計不當，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，這易對補償器產生一定的扭矩。對于軸向波紋管補償器，管壁較薄，抗扭矩能力差，極易失穩。因此施工中為保證補償器的同軸度公差最小，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)，再焊接補償器，即采用割管法安裝。雖然造成少量管子消耗，卻能保證管道同心度。
3 結語
    波紋管補償器之所以能夠在供熱行業中得到廣泛應用，除具有良好的補償能力之外，高可靠性是主要原因。其可靠性是通過設計、制造、安裝、運行管理等多個環節來保證的，任何一個環節的失控都會導致補償器壽命的降低甚至失效。造成波紋管補償器失效的原因：設計占10%，制造廠家偷工減料占50%，安裝不符合設備說明要求占20%，其余由運行管理不當引起。建議廣大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。
參考文獻：
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[5] 楊帆，孫智，馬景濤，等.供熱管道波紋管補償器的腐蝕失效[J].煤氣與熱力，2005，25(6)：13-16.
 
(本文作者：祁連中1 姜林慶2 1.武威市城南集中供熱有限責任公司 甘肅武威 733000；2.建設部沈陽煤氣熱力研究設計院 遼寧沈陽 110026)