白素洁
（河南中裕燃气工程设计有限公司 河南郑州 450018）
摘 要：通过对乡村煤改气居民室外架空天然气管补偿方式进行分析比较，在乡村煤改气居民室外架空燃气管补偿设计中优先采用自然补偿方式，通过加不同补偿器性能分析比较，探讨了采用了方形补偿器方式的可行性。
关键词：乡村煤改气；室外架空天然气管线；补偿方式
一、概述
在乡村实行 “ 煤改气 ” 是有效治理大气污染、改善空气环境质量、提升生态文明建设水平的客观要求，也是提高农村生活质量的有力举措。
乡村居民室外架空天然气管线由于在室外，其安装与使用温度不同，由热胀、冷缩和其他位移受到约束而产生二次应力，可能会造成管道破裂、损坏，造成管道接口漏气。为了避免管道由于温度变化而引起的应力破坏，保证管道在热状态下的稳定和安全，必须在管道上合理设置补偿器，以补偿管道的热伸长及减弱或消除因热膨胀而产生的应力。本文通过自然补偿与加不同补偿器性能分析比较，探讨了在乡村煤改气室外架空天然气管线补偿设计中优先采用自然补偿方式，通过加不同补偿器性能分析比较，探讨了采用了方形补偿器方式的可行性。
管道热补偿方法：一是利用管道自然弯曲的自然补偿；二是采用补偿器。选择补偿器类型及数量以减小二次应力对乡村居民室外架空天然气管线的影响。
二、 自然补偿
管道因温差产生的伸缩量
△L =σL (T2-T1 ) (式1)
式中: △L--管道的伸缩量m； σ--管材的线膨胀系数， 钢管在20°C
时,取12.2x10-6m/m°C；L--管道长度m;T2--管道在计算状态下的温度°C； T1--管道安装时温度°C。
补偿量计算温差沿外墙和屋面敷设时可取70°C。
自然补偿方式是利用管道敷设上的自然弯曲来吸收管道的热伸长变形,常见的有L形或z形。L形与z形补偿器(又称自然补偿器)可以利用管道中的弯头构成，便于安装，其优点是安装简单可靠。其补偿原则为当弯管转角小于1500时可做自然补偿，弯管转角大于1500时不能做自然补偿。
L型自然补偿管段如图1所示：
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图1 L形补偿管段
L形补偿管段见图1,其短臂长度按式2计算
(式2)
式中L2--L 形补偿管段的短臂长度(m);
△L--长臂 L1的热伸长量( mm);
D--管子外径( mm)。
L形自然补偿管道长臂一般不超过25米，弯曲应力不超过80MPa。
用Excel按式2计算，L形补偿管段计算示例见表1
表1 L形补偿管段计算
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图2 Z形补偿管段
Z型自然补偿管道L1+L2一般不超过40-50米，弯曲应力不超过80MPa。
(式3)
式中L--Z 形自然补偿的短臂长度(m);
△L-- (L1 + L2)的总热伸长量(mm);
E--管道材料的弹性模量(MPa) ;
D--管子外径( mm);
[σ] --弯曲 允许应力(MPa);
用Excel按式3计算，Z形补偿管段计算示例见表2
表2 Z形补偿管段计算
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乡村住户燃气工程一般接附近道路中压管线，采用调压箱由中压调到低压供住户使用，调压箱在住户附近，覆盖范围不大，乡村住户低压管线大都采用公称通径DN50及以下的镀锌钢管或焊接钢管就能满足用气流量与压力要求。一般乡村住户房子（带院子）长15m--20m，宽11m--15m，入户大门比较高，不同住户房子高低不一，根据《城镇燃气设计规范》（GB50028-2006）（2020年版）
6.3.15要求室外架空天然气管线与窗户或门需保持一定安全间距，这样室外架空天然气管线在不同住户外墙架空时不在同一高度，天然气管线过住户大门时需用四个弯头与一定长度直管段做成倒U形，即用弯头上翻接管过大门后再下翻接管。
由于乡村住户房子的特殊性，可根据现场实际情况用Excel根据表1与表2输入数据计算，从计算短臂长度选取两个弯头与一根一定长度直管段，弯头上翻或下翻与短管连接作L形或Z形自然补偿。这样室外架空天然气管线既满足了安全设计要求，又达到了燃气管线热补偿要求，安全经济且施工方便，应优先采用自然补偿方式。
三、采用补偿器
对于乡村住户房子高低比较整齐的村庄，室外架空天然气管线不方便用L形或Z形自然补偿方式时，可选用外加补偿器方式进行补偿。
架空敷设的天然气管线经常选用的补偿器有波纹管补偿器和方形补偿器。其性能比较见表3。
表3 常用补偿器性能比较
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因乡村室外架空天然气管线较长，使用中频繁更换波纹管补偿器，会造成居民使用天然气不便，而方形补偿器不需要设置管道检修平台或检查室，适用范围广，可以适用任何工作压力的天然气管线。因此在乡村架空室外天然气管线在不能采取自然补偿时，可选用方形补偿器进行补偿。
方形补偿器见图3，由水平臂、伸缩臂和自由臂构成。方形补偿器是由4个90°弯头组成，其优点是:制作简单，安装方便，热补偿量大工作安全可靠，一般不需要维修;缺点是:外形尺寸大，安装占用空间大，不太美观，需要增设管架。
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图3方形补偿管器
方形补偿器按其外形可分为Ⅰ型-标准式(b=2a)，Ⅱ型-等边式(b=a)，
Ⅲ型-长臂式(b=0.5a)，Ⅳ型-小顶式(b=0)，其中Ⅱ型、Ⅲ型最为常用。
方形补偿器可根据《动力管道设计手册》（2011版）表6-2方形补偿器选择表，按照架空管管径与需要的补偿量选取。方形补偿器R=1.5DN，方形补偿器两端的直管自由长度(导向支架至补偿器外伸臂的距离)，一般为40倍DN。
制作方形补偿器必须选用质量好的无缝钢管焊制而成，整个补偿器最好用一根管子焊成，4个弯曲的角度必须为90°，并且需要在一个平面内。平面变形偏差不得超过3mm/m，且不得超过10mm；垂直长臂的长度偏差不得超过±10mm，两臂的长度应相同；水平臂长度的偏差应小于±20mm。如果制作大规格的补偿器也可用两根弯管或三根弯管焊制，方形补偿器不宜用冲压弯头焊制而成。焊制方形补偿器的焊接点应放在外伸臂的中点处，因为此处的弯矩最小，严禁在补偿器的水平臂上焊接。焊制方形补偿器时，当 DN≤200mm时，焊缝与外伸臂垂直，当 DN> 200mm时，焊缝与轴线成45°角。
方形补偿器安装前必须对补偿器进行预拉伸或预压缩。当设计温度小于
25°时，预拉伸或预压缩量为0.5△L（ΔL为设计补偿量）;当设计温度等于25--400°C时为0.7△L;当设计温度高于400°C时为1.0△L。这样可以很容易地充分利用方形补偿器的设计补偿能力。水平安装时，伸缩臂应水平安装，水平臂的坡度应与管道坡度一致。方形补偿器垂直安装时，不得在弯管上开孔安装放气阀和泄水阀。方形补偿器安装完毕后，应按设计要求拆除固定装置，并按要求调整限位装置。
四、结语
通过自然补偿与加不同补偿器设计分析比较，探讨了在乡村煤改气室外架空天然气管线热补偿设计中优先采用自然补偿方式，既满足了安全设计要求，又达到了燃气管线热补偿要求，可以节省补偿器，安全经济且施工方便。 通过加不同补偿器性能分析比较，探讨了采用方形补偿器的可行性。实际设计中可以根据国家现行相关规范、标准与实际情况进行选择合适的热补偿方式。
参考文献：
[1] 严铭卿，田贯三 黎光华.燃气工程设计手册(第1版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.
[2] 城镇燃气设计规范 GB50028-2006 （2020版） 中国建筑工业出版社 2020
[3] 动力管道设计手册 机械工业出版社2011.