供热管线热应力与热补偿技术探讨

张俊岭

摘要:本文分析了供热管道热应力的危害性，介绍了热补偿的各种方式和其优缺点，为补偿器的选择提供了依据。

关键词:供热管线热应力布置类型敷设方式

供热管道通常都采用钢管。钢管工作时其长度变化不妥善解决，将引起热应力。热应力会引起管道变形，管道接口或管道与设备连接处漏水；在蒸汽或高温水为热媒时，严重时甚至会破坏管道系统。

1.熱应力计算

1.1管道受热（冷）的自由伸长量可按下式计算：

计算管道热伸长量，是为了确定补偿器的所需补偿量，或验算管道因热伸长而产生的压缩应力，所以对于管道的热伸长量应计算其最大值，即取冷态安装条件的最低温度和热态运行条件的最高温度之间的最大温差。由于管线安装的气候条件差异很大，因此t2不应有统一的取值，应根据当时的气候条件和施工环境，确定适当的管道安装温度。

1.2供热管道热应力验算与控制

为了防止供热管道升温时，由于热伸长或温度应力的作用而引起钢管变形或破坏，需要在管道上设置补偿器，以补偿管道的热伸长，从而减小管壁的应力或作用在阀件支架结构上的作用力。在热力管线敷设中，补偿器是保证管道安全运行的重要部件。

补偿器在内压作用下的失稳包括两种情况，即平面失稳和轴向柱状失稳。

1.2.1平面失稳表现为一个或几个波纹的平面相对于波纹管轴线发生转动而倾斜，但其波平面的圆心基本在波纹管的轴线上。这是由于内压产生的子午向弯曲应力和周向薄膜应力的合力超过材料屈服强度，局部出现塑性变形所致。

1.2.2柱失稳波纹管的波纹连续地横向偏移，使波纹管偏移后的实际轴线成弧形或S形（在多波情况下呈S形）。这种情况多数是因为波纹数太多，波纹管有效长度L跟内径d之比（L/d）太大造成的。为避免失稳情况发生，对管道应进行应力验算。

管道在工作状态下，由内压产生的折算应力按下式计算：

σeq＝P[0.5do－Y(s－α)]/ s－α≤[σ]t MPa

P－敷设压力MPa do－管线外径mm s－管线敷设壁厚mmα－腐蚀裕量mm

Y－温度对计算管线壁厚的修正系数

[σ]t－敷设温度下的许用应力 Mpa

2.热补偿器的选择

供热管道采用的补偿器种类很多，主要有管道的自然补偿器、方形补偿器、波纹管补偿器、套筒式补偿器和球形补偿器等。前三种是利用补偿材料的变形来吸收热伸长；后两种是利用管道的位移来吸收热伸长。自然补偿是一种最简便最经济的补偿方式，应充分加以利用。

2.1自然补偿器和方形补偿器

自然补偿器是利用管道自然转弯构成的几何形状所具有的弹性来补偿管道的热膨胀。常见的自然补偿器有L形、Z形自然补偿器。如图

方形补偿器通常是由四个90度无缝钢管煨弯或机制弯头构成的U型补偿器，依靠弯管的变形来补偿管段的热伸长。

方形补偿器制造安装方便，不需要经常维修，补偿能力大，作用在固定点上的推力（即补偿器的弹性力）较小，可用于各种压力和温度条件。缺点是补偿器外形尺寸大，占地面积多。为了提高方形补偿器的补偿能力（或减少其位移量），施工之前常采用预先冷拉的办法，一般预拉伸量为管道伸长量的50%，在极限情况下，其补偿能力可比无预拉时提高一倍。

a图:管井内管道很长时，可在某一层管井中将其拐弯形成一个方形补偿器；

b图：沿墙敷设的直管段在穿过墙时设补偿器；

c图：沿柱敷设的管道绕柱设方形补偿器。

水平单管采暖系统每5~6组散热器的水平支管上以及高层建筑的采暖立管上要设方形补偿器或乙字弯形状的管道。需要设置补偿器的直管段长度可查文献。

2.2套筒式补偿器

套筒补偿器是由填料密封的套管和外壳管组成的，两者同心套装并可轴向补偿。

当管道温度变化时，芯管可在外壳管内移动进行热补偿。填料圈被压兰压紧在内外管之间其密封作用，但同时也增加了泄漏点。使用几年后填料性能变化每隔一定时间要进行更换。其特点是补偿能力大，一般可达250~400mm,占地小，介质流动阻力小，造价低。

适用于工作压力小于或等于1.6MPa，工作温度低于300℃的直线管路上，多用于管井、管沟中，补偿器与管道采用焊接连接。

2.3波纹管补偿器

波纹管补偿器是用不锈钢制成的、由多个连续波状管组成的补偿器，靠改变波的形状起补偿作用。其特点是体积小，重量轻，但其补偿能力小，价格也较高。适用于安装在直线管段上。

波纹管补偿器以其体积小、重量轻、节省钢材、占地面积小、流动阻力小、不易渗漏，已开始占有举足轻重的地位，而且很有发展前景。目前波纹管制造突破了传统的材料和工艺，采用高弹性金属管经滚压一次成型，并采用多层金属结构，从而提高了其补偿能力和承压能力，应用新技术制造的波纹管补偿为其在热力管线中的应用提供了可靠的保证。

波纹管补偿器根据位移形式可基本分为轴向、横向、角向三类，每一类都有各自的优点和缺点，所以必须根据不同的使用条件，恰当地选用才能使波纹补偿器正常工作，做到波纹补偿器敷设选型经济、合理。

常用的轴向波纹管补偿器通常都作为标准的管配件，用法兰或焊接的形式与管道连接。为了保证套筒补偿器与波纹管补偿器沿轴向补偿和直线位移，它们应靠近固定支架安装，必要时还应设导向支架，以控制横向位移，防止失去效能。

2.4球形补偿器

它是靠一组两个或三个球形接头的灵活转动及其所构成的

相应角度变化来补偿管道的膨胀。

特点：具有很好的耐压和耐温性能，能适应230℃的高温和4105Pa的压力，使用寿命长，运行可靠，占地面积小，基本上无需维修，补偿能力大。工作时变形应力小，减少了对支座的要求。适用于架空管道上。

3.结束语

热力管线工程运行是否正常直接关系到居民生活质量，在敷设过程中应遵循技术先进、经济合理、安全适用的原则，作为一项系统工程，从管线的敷设到管道的制造、安装及管线的启动运行，每个环节都直接影响着工程的成败。而一项好的敷设可以使产品的性能得以充分发挥，可以最大限度地减少施工中的困难，降低工程造价。因此，我们的敷设一定要做到严谨合理，为工程的成功提供可靠的前提保证，如若不然，不仅增加工程造价，同时还由于敷设不当而削弱了热力管线运行的安全性和可靠性。

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