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    補償器在管網(wǎng)布置中的要點(diǎn)

      簡(jiǎn)介:隨著(zhù)我國城市集中供熱的不斷發(fā)展,補償器作為關(guān)鍵組件在熱力管網(wǎng)中的應用也越來(lái)越廣,但假如補償器在管網(wǎng)中應用布置不當,會(huì )引起整個(gè)管系的破壞,甚至釀成惡性事故。本文正是力從于補償器在熱力管網(wǎng)中的設計布置問(wèn)題并結合多年的實(shí)踐經(jīng)驗總結出的幾點(diǎn)體會(huì ),供相關(guān)人員參考。關(guān)鍵字:補償器應用問(wèn)題合理布置

      前言:
    補償器以其結構緊湊、補償量大、流動(dòng)阻力小、零泄漏、不用維修等諸多特點(diǎn)在熱網(wǎng)中的應用也越來(lái)越廣。但它也有不易解決的缺點(diǎn):例如軸向型補償器對固定支架產(chǎn)生壓力推力,造成固定支架推力大,從而造價(jià)高;另外補償器管壁較薄不能承受扭力、振動(dòng),安全性差;設備投資高、設計要求嚴、施工安裝精度高、往往達不到預期壽命等一系列缺點(diǎn)。鑒于補償器存在的這些缺點(diǎn),又由于許多設計、施工人員對補償器的熟悉還不夠全面,因此導致施工與運行期間輕易發(fā)生事故。分析事故原因,有的事故屬于補償器自身的制造質(zhì)量或選材不當的問(wèn)題,有的屬于施工問(wèn)題,更有相當大的一部分屬于設計布置問(wèn)題。在設計方面發(fā)生問(wèn)題,多數屬于不明白波紋補償器管道設計特點(diǎn)造成計算失誤和補償管系選定不合理。
    補償器主要性能包括:補償量、彈性剛度,耐壓強度、穩定性、疲憊強度等,一般設計熱力管網(wǎng)要求是在滿(mǎn)足強度、穩定性、和疲憊壽命前提下,補償量越大越好剛度值越小越好。補償器通過(guò)附加的拉桿、鉸鏈等附件與波紋管元件相互組合即可以組成各種功能的補償器,通過(guò)不同的補償器組合方式又可以構成各種形式的補償管系以完成熱力管網(wǎng)補償需要。補償器組合分為軸向補償器、角向補償器,復式拉桿補償器管系,采用角向與復式拉桿補償器更接近自然補償管系受力形式,不用考慮內壓推力,采用軸向補償器因承受較大內壓力,補償量大。同心精度要求高,發(fā)生問(wèn)題也較多。

      下面重點(diǎn)對采用軸向補償器管系談一些體會(huì )和改進(jìn)意見(jiàn)。

      補償器支架受力基本原則:
    軸向補償器受力支架分為主固定支架、次固定支架、導向支架。
    固定支架推力計算:
    主固定支架水平推力由三種力的合力組成:
    由于工作壓力引起的內壓推力F=PA:
    其中P為工作壓力,A有效截面積。內壓推力由有效截面積及工作壓力所決定,內壓推力與工作壓力、有效截面積成正比,一般來(lái)說(shuō),補償器的內壓推力都較大。
    補償器剛度產(chǎn)生的彈性力PA=KfL
    其中為K補償器剛度,L為管道實(shí)際伸長(cháng)量,f為系數,預拉伸時(shí)為0.5,否則為1。
    固定支架間滑動(dòng)摩擦反力qμl
    其中q為管道重量,μ為摩擦系數,l為管道自由端至固定端的距離。
    主固定支架水平推力=內壓推力+摩擦反力+彈性力
    假如不同心還將計入因偏心造成對固定支架的彎距和側向推力。主固定支架水平推力巨大,大管徑可達上百?lài),土建布置困難,需進(jìn)行全面結構核算,屬于重載支架。
    次固定支架,受力與主固定支架相同,但內壓推力平衡抵銷(xiāo),總推力較小,與主固定支架不是一個(gè)數量級,屬于中間減載支架。
    計算固定點(diǎn)推力時(shí),應分別計算固定點(diǎn)每側的受力,然后再合成。固定點(diǎn)兩側的方向相同時(shí),采用兩個(gè)力的矢量和作為固定點(diǎn)推力。兩個(gè)力方向相反時(shí),用絕對值大的力減去絕對值小的力的0.7倍,作為固定點(diǎn)的推力。
    導向支架是控制沿管道或補償器運動(dòng)方向運動(dòng),確保管段膨脹作用于補償器上并保證管道不發(fā)生失穩.
    一般補償器廠(chǎng)家樣本不僅對產(chǎn)品規格“結構“參數情況做具體說(shuō)明而且有應用實(shí)例推力計算“通用安裝要求,較為祥盡.可以做為設計依據.
    固定支架微小位移中對補償器的影響:
    不少管系甚至直埋管系均布置成固定支架有微小熱位移的可動(dòng)設計,在自然補償管系中,整個(gè)管系都參與補償變形,管道變形較為均勻,這種布置方式使管系整體性好,可靠性高,并且可以減少應力集中。在補償器管系中情況則大為不同,假如處理不當對補償器的安全影響很大。一種微小熱位移的可動(dòng)設計形式是管道與支架連接處不是焊死而是緊靠限位擋板在根部焊接固定。相國標圖集403.022-02擋板式固定支架對于自然補償管系是否焊接現在爭論較大,另外蒸汽直埋管道現多采用鋼套鋼內固定方式,這種結構方式是為減少熱橋的傳熱,固定環(huán)在內外環(huán)板之間增加橡膠板等隔熱材料,內外環(huán)板通常不焊接,可以自由活動(dòng),當固定支架受較大力或水擊振動(dòng)會(huì )產(chǎn)生一定量位移,有時(shí)還發(fā)生縱向微量位移,對補償器產(chǎn)生扭矩作用,這種位移對補償器有一定影響。

      補償器設置位置的探討
    按照通常做法,軸向型補償器均布置在緊靠固定支架旁,然后緊接兩個(gè)導向支架,距離分別4Dg、14Dg,主要目的以防止其軸向失穩,蒸汽直埋管道靠保溫材料及外套鋼管進(jìn)行支撐或導向、熱水直埋管主要靠與保溫材料形成整體由土壤、沙層控制。但筆者認為,這種布置方式出發(fā)點(diǎn)是好的,但在實(shí)際運用中受地形限制,架空管系支架過(guò)多,則布置困難;直埋管系地下障礙物過(guò)多,可能有過(guò)多翻彎產(chǎn)生,要求補償器只能布置在直管段,這種在固定支架側設補償器的形式,可能會(huì )因管線(xiàn)位移造成補償器每個(gè)波節吸收位移的工作能力傳遞不均,發(fā)揮的補償能力不充分。我們認為解決補償器軸向失穩問(wèn)題除與其布置、設置位置有關(guān)外,更主要的是取決于補償器自身的性能與質(zhì)量,只布置在固定支架側的補償器性能與質(zhì)量要求應更高一些,管線(xiàn)分段距離一般應小一些,進(jìn)行選型時(shí)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(shí)際情況,靈活對待處理,實(shí)踐情況證實(shí),無(wú)論是架空還是直埋地溝,只要做好導向結構控制,補償器可以設置在兩固定支架的任一位置。

      蒸汽直埋管道一種設計方式存在的問(wèn)題
    蒸汽直埋管道管系有時(shí)為減少固定支架的數量,往往布置成“駐點(diǎn)”形式:直埋管道兩個(gè)規格型號相同的相鄰補償器之間管線(xiàn)中點(diǎn)不設固定點(diǎn),當管道受熱均勻膨脹時(shí),在兩個(gè)補償器中間必然形成一個(gè)力的相對平衡點(diǎn),即駐點(diǎn)。理論上以該點(diǎn)為界管道向左右兩個(gè)方向均勻膨脹,一般認為,力的平衡點(diǎn)可能會(huì )因管道受力不均勻而發(fā)生少許偏移,一般按20%余量進(jìn)行考慮補償器設置。筆者認為,此種布置方式值得商榷。我公司有一業(yè)務(wù)單位建于1992年φ630蒸汽直埋管道及采用此種布置方式,固定支架之間距離80米,設兩只補償器規格型號完全相同,均為120㎜,于2000年進(jìn)行對此段管道更換,拆解后發(fā)現一只補償器已被壓扁,壓縮量200mm,另一只不僅未起到補償壓縮作用,反而被拉長(cháng)50mm,一個(gè)補償器伸長(cháng)對另一個(gè)補償器造成過(guò)度壓縮從而使兩個(gè)補償器均發(fā)生破壞失效。造成這種情況的原因較為復雜:一是補償器自身質(zhì)量偏差較大,雖型號規格相同但剛度值差距大無(wú)法自由壓縮;二是受管材加工制作質(zhì)量與安裝質(zhì)量影響,無(wú)法自由伸縮,“駐點(diǎn)”固定支架兩側管道受力不均,造成駐點(diǎn)偏移大,“駐點(diǎn)”不固定,使波紋補償器無(wú)法承受,造成破壞。除非對補償器自身作較大改進(jìn),保證補償器均布限位使補償器剛度均衡趨于一致,否則采用普通補償器條件下,還應按照美國EJMA規定每?jì)蓚(gè)固定支架之間只設一個(gè)補償器的原則。

      管道水擊對補償器布置要求
    水擊對補償器影響極大。.蒸汽管道無(wú)論是地上架空還是地下地溝或直埋管道,都存在著(zhù)水擊問(wèn)題,水擊產(chǎn)生的能量釋放不出來(lái),作用在管道保溫結構、支架、補償器及閥門(mén)上。彎頭處或管道出地處,發(fā)生水擊情況較多,但因管道是剛性的,抗水擊能力強,補償器波紋是柔性體,無(wú)法抵御水擊瞬間劇增壓力波沖擊振動(dòng),造成破壞從破壞的部位來(lái)看,一是波紋,二是導流套,而薄弱的環(huán)節是補償器的波紋,水擊的結果造成補償器變形甚至破裂,導流套倒個(gè)或撕裂,嚴重危害管網(wǎng)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(diǎn),有效及時(shí)進(jìn)行疏水外,在補償器的設計布置方式上,也應加以改進(jìn)。建議將補償器遠離彎頭及上翻處固定支架,改在靠近另一側固定支架,這樣即使管道中存在少量積水,但作用位置遠離補償器,可大大減少水擊的對補償器造成的破壞。另外選用外壓補償器,改進(jìn)導流套形式也能起到一定的防范水擊作用。

      現場(chǎng)變更對補償器的影響:
    熱力管網(wǎng)有時(shí)雖然原始設計很好,但由于進(jìn)行施工后經(jīng)常碰到障礙,現場(chǎng)實(shí)際情況與設計往往出入很大,不得不做大量的實(shí)際設計變更,對自然補償管道只要處理適當不會(huì )產(chǎn)生很大影響,但對軸向補償器管路影響非常大,不少施工單位對此沒(méi)有充分熟悉,某些固定支架在管道改變走向后,原來(lái)不承受壓力推力改為承受壓力推力或者產(chǎn)生較大彎距,支架受力結構形式發(fā)生重大變化,處置不當很輕易推壞固定支架,導致事故發(fā)生。由于施工單位專(zhuān)業(yè)化程度普遍較低,主要靠設計單位對施工的熱網(wǎng)布置整體性進(jìn)行控制,在管線(xiàn)變更較大情況下,應注重管道的受力形式是否符合補償器布置基本原則,通過(guò)合理分段,保證管線(xiàn)呈直線(xiàn),控制拐點(diǎn)產(chǎn)生,減少作用于固定支架與導向支架的彎矩及側向推力,進(jìn)而保證管系安全合理。這對于設計人員重要,除了不斷積累經(jīng)驗外,要形成明確設計思路,才能提高設計補償器管系的水平。

      設計中考慮延緩補償器壽命、預防腐蝕:
    影響補償器壽命的因素有很多,一是破壞失穩,二是腐蝕。在城市熱網(wǎng)中使用的補償器,理論計算壽命大約6000——10000次,其安全系數為15倍,實(shí)際許用壽命應大于400次,一個(gè)連續運行的熱網(wǎng),假如每年起動(dòng)約20次左右,其許用正常壽命應該在20年以上。實(shí)際應用中卻不是這樣,用不了三五年即被換掉,十幾年前安裝的補償器幾乎沒(méi)有,在設計中有一條名言“腐蝕始于圖紙”,要求我們在管路設計時(shí),不僅固定支架的位置要合理,導向支架距離要適當,導向支架要有防止補償器失穩的措施,另外設計布置也應考慮預防腐蝕問(wèn)題,這方面往往被忽略。通過(guò)實(shí)際檢查發(fā)現,布置在檢查井或者地溝內的補償器腐蝕較快,是熱水管網(wǎng)檢查井內供水管上的補償器很?chē)乐,而回水管的基本無(wú)腐蝕,經(jīng)分析主要原因是供回水補償器及管段形成原電池效應,發(fā)生電化學(xué)腐蝕。這類(lèi)問(wèn)題發(fā)生均可以通過(guò)設計優(yōu)化的方法予以解決,在布置補償器時(shí)尤其注重不并列布置,有條件的應加大補償器間距,敷設時(shí)采用全埋方式不設檢查井,做好標記,如須設在檢查井內,要做好防水保溫,防止污水雨水進(jìn)入,減少腐蝕條件,阻斷形成原電池效應回路。

      設計中預先考慮水壓試驗方案:
    某熱力管道采用軸向補償器,施工中施工隊伍采用分段打壓試驗,自行選定分段點(diǎn)設臨時(shí)盲板,盲板力沒(méi)有作用在主固定支架上,而是作用在次固定支架上。按1.5倍試驗壓力升壓時(shí)將固定支架拉壞。軸向型補償器管路分段打壓時(shí),分段點(diǎn)應選擇可承受水壓試驗壓力的主固定支架,無(wú)法做到這一點(diǎn)時(shí),應對分段點(diǎn)承受盲板力的次固定支架進(jìn)行臨時(shí)加固,使其能夠承受盲板力。由于主次固定支架推力相差太大,臨時(shí)加固的辦法很難實(shí)施分段,因此好的辦法是設計中預先考慮水壓試驗或吹掃方案,打壓的分段點(diǎn)的位置由業(yè)主方、設計方、施工單位共同確定,由設計單位負責技術(shù)交底,業(yè)主方根據設計單位意見(jiàn)組織實(shí)施。
    施工安裝對軸向補償器的影響:
    有時(shí)候補償器布置形式不合理或設計采取措施不得當,施工安裝中很輕易出現偏差,造成受力方向主要不是軸向力,而是偏向力,偏向力對補償器產(chǎn)生一定的扭矩,對于軸向補償器來(lái)說(shuō),管壁較薄抗扭矩能力差,極易失穩。因此施工中為保證管系在安裝補償器處的同軸度公差處于小,建議在安裝補償器前先將管段敷設好,然后在預備安裝補償器處將管子割下一段,再將補償器裝上去焊接,采用割管法安裝的辦法。雖然造成少量管道浪費,卻能保證管道同心度。

     

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