胡国龙
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摘要：对供热管网中波纹补偿器的选择、计算、布置、安装以及失效的问题进行了分析，阐述了波纹补偿器在应用中出现的问题和解决的方法，以确保供热管网的正常运行。
关键词：补偿器；应用；失效；供热管网
前言：在供热管网中由于管道的热伸长通常要设置补偿器，以降低管道运行时产生的作用力，减少管道应力和作用于阀门及支架结构上的作用力，确保管网的稳定和安全运行。随着供热管网规模及管径的逐步加大，新型补偿器种类也越来越多，有套筒式补偿器、波纹管补偿器、球形补偿器等。波纹管补偿器具有配管简单、安装容易、流体阻力小、补偿量大、维修管理方便等优点，在集中供热系统中得到了广泛的应用。
1.波纹补偿器的选择
波纹管补偿器的工作压力有0.6 MPa，1.0 MPa，1.6MPa，2.5MPa型，工作温度在450℃以下，尺寸规格有DN50 ～ DN2 400 等。波纹管补偿器的使用范围如下: 1) 变形与位移量大而工作压力低的大直径管道。2) 需要限制接管荷载的敏感设备入口管道。3) 要求吸收或隔离高频机械振动的管道。4) 考虑吸收地震或地基沉降的管道。热力管道设计中，波纹补偿器选型必须考虑的问题如下: 1)管道的公称直径、补偿器的连接形式; 2) 管道系统的设计压力、设计温度; 3) 工作介质对波纹补偿器材质的要求; 4) 波纹补偿器的补偿量及疲劳寿命; 5) 有无承受波纹管内压推力的约束构件; 6)吸收位移形式。波纹管补偿器通过波纹管、附加的拉杆、铰链等附件与波纹管元件相互组合的方式的不同可分为轴向补偿器、角向补偿器、复式拉杆补偿器、铰链型补偿器等，用以满足热力管网的补偿。采用角向与复式拉杆补偿器更接近自然补偿管系受力形式，可不用考虑内压推力，采用轴向补偿器因承受较大内压力，补偿量大。选型时一定要选自导向性好，抗失稳能力强的补偿器。合理的选择波纹补偿器不但有利于管网的正常运行，还可降低工程造价。
2.波纹补偿器补偿量的计算
首先将热力管网分成若干形式相对的独立管段，如直管段、L形管段、I 形管段，根据对应管径的补偿器的不同补偿量合理的设置固定支架的位置，再进一步划分管段，根据管道的热膨胀系数及管段长度、工作温度计算出分管段间即两个固定支架间的工作位移量。在进行热力管道热补偿计算时必须遵照 SDG J6 火力发电厂汽水管道应力计算技术规定有关规定执行。按直管段和弯管段有不同计算公式，直管段补偿量由以下公式计算:
ΔL = atLΔt
式中: ΔL———管段的伸长量，mm;
at———管材在设计温度 t 时热膨胀系数，mm/( m·℃ ) ;
L———直管段长度;
Δt———热媒温度与管道安装温度之差，℃。
要准确计算出该管段的伸长量，设计补偿量要稍大于计算补偿量，不要临近补偿器的补偿量极限。防止波纹补偿器预拉伸或冷紧后在工作时超过补偿量，影响其寿命。补偿量一般不超过300mm，超过 300mm 补偿器易发生变形、扭曲，造成波形一侧压缩，另一侧鼓胀拉平，情况严重可使固定支架发生扭转，引起管破坏。
3.波纹补偿器的布置
热网补偿器的布置: 按照通常做法，轴向型波纹补偿器均布置在紧靠固定支架旁，然后紧接两个导向支架，距离分别为4D，14D，主要防止其轴向失稳，热水直埋管主要靠与保温材料形成整体由土壤、砂层控制。管道受热伸长时对固定支架有一定的推力，设计时要根据推力的大小合理的确定固定支架。在实际设计中，根据管网的具体情况划分管段选取补偿器，分支多的管网尽量选取偿量较小的补偿器，减少对分支管段的应力。分支少的管网尽量选取补偿量较大的补偿器，减少管网中固定支座的布置，也可减少补偿器失效问题带来的检修。设计中补偿器处一般不设检查井，最好不并排布置，加大补偿器间距，尽量采用直埋的敷设方式，以减少补偿器的腐蚀。
支架的正确设置是补偿器正常运行的决定性因素，导向支架要有防止补偿器失稳的措施，以减少试压时热网可能出现管线推倒、波纹管被拉直破坏的破坏性失稳，从而延长补偿器寿命。
4.波纹补偿器的安装
波纹补偿器安装前应先查看设计图纸，核对补偿器的型号、规格及管道的支座配置。补偿器不能承重，不能与管道焊接后一齐吊装，应单独吊装。轴向波纹补偿器管壁较薄，抗扭矩能力差、易失稳，为了保证补偿器的同轴度，避免偏向力对补偿器产生的扭矩，在安装过程中先将管道敷设好，在安装补偿器的位置上切去补偿器所需长度，再将其装好。除设计要求预拉伸或冷紧的预变形量外，严禁使用波纹补偿器变形的方法来调整管道的安装偏差，影响补偿器的正常功能，降低使用寿命。安装过程焊渣不能飞溅到波纹补偿器表面，不能使其受到机械性损伤，波纹补偿器所有活动元件不能被外部构件卡死，要保证其有正常工作的空间，如果一个或数个波纹管不能自由移动，无法参与补偿，参与补偿的波纹管很快会因过度疲劳导致失效。对带内衬筒的波纹补偿器注意使内衬筒的方向与介质流动方向一致，平面角向型波纹补偿器的铰链转动平面与位移平面一致。
5.波纹补偿器失效的原因
波纹补偿器失效主要因为热网破坏失稳和腐蚀。防止热网破坏失稳主要是在设计中合理布置固定支架的位置和导向支架的间距，施工中波纹补偿器安装规范，减少补偿器的平面失稳和柱失稳。平面失稳是由于波纹补偿器在内压产生的子午向弯曲应力和周向膜应力的合力作用下，处于压缩状态而发生塑性变形，表现为一个或几个波纹平面相对于补偿器轴线发生转动而倾斜。柱失稳指波纹补偿器因总厚度不够，难以抵御试验压力或运行压力，波纹管波数过多及波纹管同轴度偏差大等而产生的。波纹连接发生横向偏移，使实际轴线呈弧形或呈 S 形。平面失稳或柱失稳得不到控制，易导致膨胀节很快疲劳断裂。
波纹补偿器被腐蚀的具体形式有点蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳造成的开裂。波纹管在运行中发生压缩或拉伸，其波峰和波谷上都产生了较大的应力，同时其内部和外部环境中存在有腐蚀介质Cl 离子和 S 离子，两者的复合作用达到一定程度时，产生应力腐蚀。反应式如下:
Fe + 2Cl－ + 2H－→FeCl2 + H2
FeCl2 + H2S→FeS + 2Cl－+ 2H－
波纹管补偿器腐蚀严重时，除外表面有大片的点蚀坑外，在波峰上有表面裂纹和穿透裂纹，裂纹处有溢出的白状物质和黑锈，由外层向内层逐渐腐蚀。所以要定期检查管网内水质，严格控制水质中的 Cl，S 离子含量以减少波纹补偿器的失效。在波纹补偿器失效后通常用包覆的办法就地抢修波纹补偿器，热网可以不停用，确保了热网的安全运行。
6.结语
由于波纹补偿器是热网管道的关键组件，在热网的使用量也越来越大，所以首先在设计中要对波纹补偿器的种类、性能、特点充分掌握，以及准确的计算补偿量，选择合适的补偿器，合理的确定固定支架的位置并对其进行应力分析。在施工中严格按照施工规范执行，确保波纹补偿器安装正确。要加强热网的运行与管理，定期检查管网水质，才能确保管网的正常使用。
参考文献
[1]孙守江. 供热管道系统的受力分析及优化[D].北京建筑大学,2020.
[2]王秀全. 地上和管沟敷设供热管道的受力分析与计算[D].哈尔滨工业大学,2007.