崔建民 陈丹丹
兰州范坪热网有限公司
【摘要】套筒补偿器是供热管网重要的管道附件，其运行状态直接影响供热管网的安全运行。本文通过对一起大口径架空管道套筒补偿器附近的管道滑动支座与支撑板脱空、滑动支座未正常恢复到初始安装状态、补偿器失效事故的分析，确定了补偿器滑动支座偏移和补偿器失效原因，同时为预防架空管网套筒补偿器失效提出几点建议。
【关键词】架空供热管网 套筒补偿器 失效
1.引言
补偿器是为了防止供热管道升温时，由于热伸长或温度应力而引起管道变形或破坏，需要在管道上设置的以补偿管道的热伸长从而减小管壁的应力和作用在阀件或支架结构上的作用力的管道附件。
目前，供热管道上常用补偿器主要有管道的自然补偿、波纹管补偿器、套筒补偿器、旋转补偿器等[1]。套筒补偿器以补偿能力大、占地面积小、安装简单等优点被广泛应用[2]。近年来，行业内学者对补偿器的研究主要有补偿器的选用、位置设计优化等[3]，但对套筒补偿器失效等问题研究较少。本文尝试利用一起架空管网套筒补偿器失效事故，分析补偿器失效原因，为预防补偿器失效提供方法和措施。
2.基础数据
2.1供热管网基本情况
甘肃省兰州市南山路集中供热管网于2012年11月建成并投运，全长2×11Km，管径为DN1200大口径管道，设计采暖热媒为130/70℃热水，设计压力1.6MPa。实际运行供水温度60—95℃，回水温度48—75℃，供水压力约0.6Mpa，现供热面积约400万㎡。
南山路集中供热管网共设置有大金沟、小金沟、李家沟三处桁架桥DN1200架空管道。
2.2补偿器安装情况
南山路大金沟桁架桥DN1200架空管道全长2×300米，架空管道桁架桥中点位置装有双向无推力套筒补偿器1组，补偿器东西150米处各设固定墩1组。供水补偿器额定补偿量为600mm，单台重量12.5t，设置滑动支座51组，每两个滑动支座间距约6米，回水补偿器额定补偿量为320mm，单台重量11.2t，设置滑动支座51组，每两个滑动支座间距约6米。
南山路小金沟桁架桥DN1200架空管道全长2×150米，架空管道桁架桥中点位置装有双向无推力套筒补偿器1组，补偿器东西75米处各设固定墩1组。供水补偿器额定补偿量为350mm，单台重量11.4t，设置滑动支座28组，每两个滑动支座间距约5.3米，回水补偿器额定补偿量为190mm，单台重量10t，设置滑动支座28组，每两个滑动支座间距约5.3米。
南山路李家沟桁架桥DN1200架空管道全长2×250米，架空管道桁架桥中点位置装有双向无推力套筒补偿器1组，补偿器东西125米处各设固定墩1组。供水补偿器额定补偿量为520mm，单台重量12.1t，设置滑动支座40组，每两个滑动支座间距约6.2米，回水补偿器额定补偿量为280mm，单台重量11t，设置滑动支座40组，每两个滑动支座间距约6.2米。表1为补偿器参数，图1为大金沟补偿器现场安装照片。
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3.补偿器失效原因分析
由于南山路大金沟、小金沟、李家沟架空管网补偿器在近三年运行过程中均存在不同程度的渗漏和补偿器失效问题，其中大金沟管架桥长度最长，因此以大金沟架空管网补偿器为例进行分析。
3.1 大金沟架空管网滑动支座与支撑板脱空分析
2019-2020年度供暖期结束后，对大金沟、小金沟架空管网滑动支座进行观察后发现部分滑动支座与支撑板之间出现脱空现象。图2为大金沟滑动支座与支撑板脱空现场照片。表2为大金沟架空管网滑动支座与支撑板脱空量数据表，编号方向由西向东依次编号。
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通过以上测量数据可以看出，大金沟补偿器东侧管道靠近固定墩位置处，滑动支座与支撑板存在脱空情况，平均脱空量2.6mm；补偿器西侧滑动支座与支撑板均未出现脱空情况。
由于兰州市为湿陷性黄土地区，湿陷性黄土在上覆土层自重应力作用下，或在自重应力和附加应力共同作用下，因浸水后土的结构破坏而发生显著附加变形。因此初步判断可能是大金沟架空管网桁架桥靠近东侧固定墩位置处的桥墩地基发生不均匀沉降导致桥墩下沉或者倾斜，进而出现滑动支座与支撑板出现脱空现象。对桁架桥桥墩、桁架桥桥架标高进行校核后发现，靠近东侧固定墩桥墩发生轻微下沉，所以供热单位在实际运行过程中，应加强架空管网桁架桥的基础监测工作，确保桁架桥的基础不发生沉降，从而避免由于部分滑动支座和支撑板脱开导致其他支撑板长期承受过大荷载而出现管网运行事故。
3.2 大金沟架空管网滑动支座偏移分析
2019-2020年度供暖期结束后，对大金沟架空管网滑动支座进行观察并测量后发现滑动支座整体偏移，未恢复到供暖前初始安装位置。表3为大金沟架空管网滑动支座与支撑板中心点测量偏移量，编号方向由西向东依次编号。
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通过以上测量数据可以看出，大金沟架空供水补偿器西侧管道滑动支座（Z1～Z25）中心点整体向东偏移，平均偏移量13.9cm，供水补偿器东侧管道滑动支座（Z26～Z50）中心点整体向西偏移，平均偏移量3.8cm。大金沟架空回水补偿器西侧管道滑动支座（Z1～Z25）中心点整体向东偏移，平均偏移量8.6cm，回水补偿器东侧管道滑动支座（Z26～Z50）中心点整体向西偏移，平均偏移量4.1cm。
靠近补偿器两侧滑动支座偏移量较大，靠近固定墩两侧滑动支座偏移量较小，补偿器西侧管道滑动支座偏移量普遍是东侧管道偏移量的2-4倍。根据管道的受热自由伸长量公式：
△x=α(t1-t2)L
其中：△x—管道伸缩量，mm；
α—管道的热膨胀系数，一般可取0.012mm/m；
t1—管壁最高温度，℃
t2—管道安装时的温度，可取最冷月平均温度，℃
L—固定支架间距离，m。
根据计算，大金沟架空供水补偿器东、西侧管道伸长量应为14.1cm，大金沟架空回水补偿器东、西侧管道伸长量应为9.9cm。
大金沟架空供、回水补偿器西侧管道计算伸长量与滑动支座偏移量基本一致，说明管道在热媒达到最高温度伸长后，热媒降温过程中管道未回缩。大金沟架空供水补偿器东侧管道计算伸长量是滑动支座偏移量的3.7倍，回水补偿器东侧管道计算伸长量是滑动支座偏移量的2.4倍，说明管道在热媒达到最高温度伸长后，热媒降温过程中管道大部分回缩但是有27%~42%未回缩完全。
由此可判断，大金沟架空供、回水补偿器西侧部分在管道热媒达到最高温度后失效，大金沟架空供、回水补偿器东侧部分在供暖停止后管道热媒降温过程中失效。因此在供热运行过程中需在热媒温度达到高值状态和热媒降温过程中，对补偿器滑动支座偏移量定期测量并分析，确保补偿器处于正常状态。
3.3 大金沟架空管网补偿器失效分析
2019-2020年度供暖期结束后，对大金沟、小金沟架空管网补偿器进行观察并测量后发现补偿器不能完全按照原设定工况进行伸缩并且出现渗漏情况。图2为大金沟回水补偿器东侧补偿端现场照片。表4为大金沟架空管网补偿器补偿端测量数据。
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通过以上测量数据可以看出，大金沟架空供水补偿器西侧补偿端现有长度15.2cm，安装预留长度24cm，东侧补偿端现有长度28.2cm，安装预留长度31cm，回水补偿器西侧补偿端现有长度11.2cm，安装预留长度20cm，东侧补偿端现有长度8.3cm，安装预留长度10cm。
如果补偿器正常运行，在供暖期结束后，补偿器补偿端的长度应该与安装预留长度基本一致。但是根据测量数据，大金沟供水补偿器和回水补偿器西侧补偿端与安装预留长度偏差较大，达到约8cm，说明管道热媒温度逐步降低后补偿器并未正常伸长。大金沟供水补偿器和回水补偿器东侧补偿端与安装预留长度偏差较小，约2cm，说明管道热媒温度逐步降低后补偿器伸长了一部分但未完全伸长，补偿器失效，这与滑动支座偏移分析结果一致。
由于大金沟供水补偿器和回水补偿器失效，需对补偿器进行更换，对原补偿器进行拆卸后发现，补偿器芯管和壳体之间的填料函存在泥沙等杂质，泥沙淤积造成填料函被卡死导致芯管和壳体之间无法相对运动。而且由于靠近东侧固定墩桥墩发生轻微下沉，个别滑动支座与支撑板脱开，补偿器受力增大，出现角向位移，进一步造成补偿器被卡死和渗水情况。图2为大金沟供水补偿器拆卸后现场照片。
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此外，通过对南山路大金沟、小金沟、李家沟三处桁架桥DN1200架空管道东西两侧的绝对标高进行测量后发现，大金沟、小金沟架空管道西侧高出东侧约3m，李家沟架空管道西侧高出东侧约9m，管道高差过大造成补偿器在运行过程中产生了不同轴情况，填料函受力不均造成了补偿器渗漏和失效。
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因此，在管道安装试压阶段，必须按照规范标准保持管道中心标高一致，对管道进行清洗后应确保管道内无残留泥沙和杂质，在供热运行期，对管道内水质进行监测，水质浊度须低于5NTU。同时可考虑在大口径架空管网套筒补偿器两侧设置支架，避免补偿器为悬空设置受力过大而出现角向位移情况。图3为南山路大金沟供回水补偿器更换完成后现场照片。
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3.4 大金沟、李家沟更换补偿器后效果分析
大金沟及李家沟架空管桥补偿器更换为波纹补偿器后，在补偿器器运行前做了现场标记，经过2020~2021采暖季运行，停暖后管道回缩情况如下：
1）大金沟供、回水管道未回缩量约为1cm，图4为大金沟供水管道补偿器回缩量现场照片，图5为大金沟回水管道补偿器回缩量现场照片；
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李家沟供、回水管道未回缩量约为1cm，图6为李家沟供水管道补偿器回缩量现场照片，图7为李家沟回水管道补偿器回缩量现场照片；
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通过现场统计结果对比发现，补偿器更换并在一个采暖季运行停暖后管道基本回缩到位，相比原有补偿器管道安全状态有了很大的改善。
4.结论
本文通过大口径架空管网套筒补偿器失效实例的分析，为预防架空管网套筒补偿器失效提出以下几点设计建议：
1.湿陷性黄土地区应加强供热架空管网桁架桥的基础监测工作，确保桁架桥的基础不发生沉降。
2.在供热管道热媒达到最高温度并逐步降温过程中，应重点对供、回水补偿器的补偿端和滑动支座偏移量进行定期测量并分析，确保补偿器处于正常状态。
3.供热管道在投入运行前需确保管道内无残留泥沙和杂志，在供热运行期间管道内水质浊度须低于5NTU。
4.架空管网在安装过程中需进行校准，确保管道中心标高一致，也可考虑采用“倒虹吸”管安装方式，避免补偿器因受力不均而损坏。
5.在架空管网套筒补偿器两侧设置支架，避免补偿器为悬空设置受力过大而出现角向位移情况导致补偿器卡死和渗漏。
6.建议大口径架空管网补偿器选用波纹管补偿器或其他密封无泄漏型补偿器，尽量减少各种因素产生的角向位移对管道安装运行产生影响。
参考文献：
[1] 贺平，孙刚，王飞，吴华新.供热工程[M]，第四版.中国建筑工业出版社，2009.
[2] 孟蕾.补偿器类型及选用[J].施工技术，2014.
[3] 赵宏，王亚楠.长输供热管线波纹补偿器运行状态分析[J].区域供热，2019.