一次性补偿器在城镇供热管网工程的应用

摘要从预热安装原理出发，分析供热管道在不同温度下的应力变化，从而找出一个应力平衡点的温度——零应力温度。探讨实际施工中预热效果的影响因素，进一步确定零应力温度。根据零应力温度制作的补偿器称为一次性补偿器。介绍一次性补偿器在供热管网工程中的几种应用型式。

关键词 预热安装零应力温度一次性补偿器

中图分类号：TU833 文献标识码：A

一、引言

城镇供热管网工程传输的介质温度、压力等参数变化幅度较大，使用过程中受到“热胀冷缩”的作用通常会发生较大的位移变化。众所周知，城镇供热管网工程通过“补偿器”调节热胀冷缩，以缓解管路内部的热应力，类似路桥上的“伸缩缝”。施工过程中必须考虑管道热胀冷缩的处理，否则管道因位移变化导致焊口开裂，引起管网泄漏，破坏供热管网运行的稳定性和连续性，甚至导致供热中断，给生产和居民生活带来诸多不便，造成很多不良的社会影响，同时也给供热企业带来巨大的经济损失。

城镇供热管网工程施工中，通常采用无补偿冷安装的施工方法。其特点是经济快捷，工艺简单，热网运行时管道内会形成很大的压应力。根据安定性原理，只要管道内的应力变化范围小于三倍的钢材许用应力管网仍是安全的。这种施工方法适合于长直管线，原因是较大的压应力产生的轴向推力将使管道的小角度折角、大口径分支、三通以及阀门破坏，过大的轴向推力还导致固定墩尺寸过大，对于城镇中地形复杂的管网往往难以实施。随着技术进步和实践探索，采用预热安装的施工方法是降低无补偿管道系统运行时轴向推力的最有效手段。一次性补偿器就是城镇供热管网工程中直埋预制保温管道无补偿预热安装时所必备的一种特殊管件。它的补偿功能仅在预热过程中被利用，预热安装完成后它成为直管的一部分而不再具有补偿功能，这也就是被称作一次性补偿的原因。

二、预热安装原理

金属管道在自由状态下随着温度的改变将产生热位移——伸长或缩短。当金属管道两端被约束固定时，随着温度的改变，宏观上的热位移将转化为金属管道内的应力变化——拉应力或压应力。

假设有长度为L的管段，在温度t1时将管段两端固定后加热至温度t2，此时管段内产生的压应力为：

σ=αE（t2- t1）

式中σ——应力，MPa

α——钢的线膨胀系数，m/m℃

E ——钢的弹性模量，Mpa

此压应力所产生的轴向推力为：

Fχ=σA

式中Fχ——轴向推力，N

A ——钢管的金属截面积，mm2

同样有长度为L的管段，在温度t1时将管段一端固定后加热至温度tm，管段的自由热位移量为ΔL。将管段另一端固定，则此时管段内的应力σm为0。管段的热位移量ΔL为：

ΔL=αL（tm- t1）

这个过程实际上被称为预热过程。管段温度由tm继续升至t2，由于管段两端被约束固定无法继续伸长，其热位移量将转化为管段内的压应力σ2：

σ2=αE（tm- t2）

式中σ2的计算值为负值，“-”的意义为压应力。

将管段温度由t2降至tm，相应的管段内压应力也由σ2降至σm=0的状态；继续降温至t1，由于管段两端被约束固定无法缩短，其热位移量将转化为管段内的拉应力σ1：

σ1=αE（tm- t1）

式中σ1的计算值为正值，“+”的意义为拉应力。

上述可见，当温度由t1升至tm再升至t2后又降至tm再降至t1的过程中，管段的应力由压应力σ2（负值）逐渐增加至σm（值为0）再增加至拉应力σ1（正值），当温度在tm时管道内的应力σm=0。据此，我们称温度t1到t2中间的温度tm为零应力温度。

令tm=（t1+ t2）/2，则有

σ2=αE（t1- t2）/2

σ1=αE（t2- t1）/2

由此可见│σ2│=│σ1│，│σ2│+│σ1│=αE（t2- t1）即为温度由t1升至t2时的应力σ。实际上也可以有│σ2│≠│σ1│，但│σ2│+│σ1│=αE（t2- t1）是不会改变的。因此，我们能更清楚的看到这一结论：

在温度t1和t2之间插入一个中间温度tm，并使tm温度下管段内的应力为0，此时管段内的应力σ分为两部分：拉应力σ1和压应力σ2。当tm=（t1+ t2）/2时，轴向推力比不预热时减少1/2，这就是预热安装原理。

三、土壤摩擦力对预热效果的影响

直埋预制保温管道现场实际预热安装过程中，管道发生热位移时土壤与管道外壁（实际上是保温外壳）之间总会产生摩擦力（单位长度的力），它将阻碍管道的自由伸长。众所周知，如无任何阻力作用，一端固定的管段L，当温度由ta（安装温度）升至tm时，其热伸长量为ΔL=αL（tm- ta）。由于土壤摩擦力的作用，将导致管段的热伸长量减少ΔL’。下面来确定热伸长量的减少量ΔL’。

当一端固定的管段发生位移时，另一端为自由端，其位移不受限。因此自由端的摩擦力总是为0，摩擦力大小从自由端到固定端累积呈线性增长，且在固定端形成最大值Fm，同时在管段内形成压应力，其应力分布呈三角形。应力的最大值在固定端，为FmL/A。根据三角形的几何关系，管段内的压应力平均值为：

σf=FmL/2A

应力σ和位移ΔL都与应变（αΔt）有关，即ΔL=αΔtL、σ=αΔtE，据此有下式：

ΔL=σL/E

根据摩擦力的压应力计算式，得到管段热伸长的减少量ΔL’为：

ΔL’= FmL2/2AE=σf L/E

由此可见，土壤摩擦力的存在使管段在预热至零应力温度tm下热位移量减少的同时还在管段内形成压应力σf。

要确保零应力温度tm下管段内应力为零，必须设法消除土壤摩擦力引起的压应力σf。为此从tm继续升温至ty，将管段热伸长ΔL’后再固定，此时管段内的压应力正好为σf。这样当温度从ty降至tm时所产生的拉应力的绝对值正好等于压应力σf的绝对值，从而消除了σf，保证了零应力温度tm时管段内应力为零。

由此可见，土壤摩擦力使实际预热温度ty要高于零应力温度tm。

四、零应力温度tm的选择

零应力温度tm指热网最高工作温度t2与热网最低工作温度t1之间人为设定的任一应力为零的温度。它也是理想状态时管网的预热温度。设定零应力温度tm的意义在于将管道中应力合理分配为拉应力和压应力，达到降低管道轴向推力的目的。需要强调，零应力温度tm的设定并未改变热网工作循环中的应力变化范围。这也是一次性补偿器与补偿器（减少管道热应力）在实际应用上存在的本质不同。

1.欲使管道轴向推力最低，零应力温度tm=（t1+ t2）/2；

2.欲使预热温度ty最低，则根据热网能承受的压应力最大值σmax按下式计算零应力温度tm：

tm≥t2-σmax/αE

3.实际上如果情况允许，选择相对低的零应力温度tm是合理的。这是因为：

a.降低预热温度，缩短预热时间，节省预热成本。

b.有利于延长管网使用寿命。零应力温度tm的降低可以使管网在停运时的拉应力降低。对于大多数集中供热的地区，热水管网在其使用寿命期内停运的时间要远大于运行的时间，从金属腐蚀的角度看，拉应力比压应力更具加速管网的腐蚀倾向。所以使管网在其寿命的大多数时间内处于较低的应力水平对延长使用寿命是有利的。

c.消除内压引起的拉应力。系统内压会引起轴向拉应力，降低零应力温度tm，使压应力大于拉应力，可减少或消除内压引起拉应力的影响。

4.选用不同的零应力温度tm。对于分段预热且各预热段之间有固定墩隔离的管段，可选择不同的零应力温度tm，可以最少的预热成本发挥最大的预热效果。另外，根据热水网的供回水管道温度不同，也应采用不同的零应力温度tm。

五、预热效果控制

上述讨论可见，预热效果可分别通过ΔL’、 ty和ΔL三个参数来控制。但ΔL’和 ty的可操作性并不理想。这是因为ΔL’和 ty是由土壤摩擦力Fm产生，而土壤摩擦力Fm是一个难以准确计算的量，故ΔL’和 ty的理论值与实际偏差较大，仅供预热安装时参考。

控制预热效果相对准确的参数即是预热伸长量ΔL=αL（tm- ta），式中L为管段长度，零应力温度tm是设计给出值，安装温度ta可以实测，所以ΔL的量也是确定的。

六、一次性补偿器的结构特点

一次性补偿器是无补偿预热安装过程中吸收管段预热伸长量的管件，在预热过程中发挥作用，预热完成后成为管道的一部分而完成补偿的使命。按前述预热安装原理，一次性补偿器的特点是：只有在安装时才能最终确定其补偿量，并通过一次性补偿器所独有的补偿量调整装置将限位块与外套筒的距离调整至ΔL=αL（tm- ta）后进行安装。限位块是一次性补偿器结构中的灵魂，是它保证预热质量及二次焊缝可靠性的关键。

七、一次性补偿器的应用

城镇供热管网工程中预制直埋保温管道预热安装时，将使用一次性补偿器。在一两端固定的管段之间安装有一支或数支一次性补偿器。预热介质通常采用热水（也可利用热风）。一次性补偿器的作用是使管道在预热零应力温度tm时释放热应力，同时保证管道的预热介质不外泄。当管道的热伸长量ΔL达到计算结果时，将管道上安装的一次性补偿器的二次焊缝焊接固定。系统试验合格（探伤、水压等）后进行保温处理，之后回填土。管网预热过程可以敞口凉槽进行，也可以采用局部回填后进行。由此可见，预热安装的关键控制点就是一次性补偿器的预热和二次焊缝的焊接。

1.一次性补偿器的预热

a. 一次性补偿器要均匀预热。当管道的热伸长量ΔL达到计算结果时，停止加热但不能立即撤掉热源，避免热胀冷缩造成热伸长量的误差。此外，预热过程中要防止预热介质的外泄。

b.多支一次性补偿器同时预热。在同一预热管段上安装有多支一次性补偿器时，各补偿器的间距宜等距离布置，补偿器间不必设置固定墩。但采用一次性补偿器的管段应与非一次性补偿管段间设置固定墩隔离。

c.热伸长量ΔL的控制。由于地形变化，回填效果不同，操作时通常取平均埋深来计算土壤摩擦力。这样多支一次性补偿器同时安装时的热伸长量不一定相同，但该预热段管道总的伸长量是不变的。计算所得各支一次性补偿器的热伸长量ΔL相加应等于这一长管道的总伸长量，这必须计算验证。

d.管道的安装温度ta。理论上讲，管道的安装温度是指管道安装时刻实测的温度。但在工程应用时安装温度ta的精度又应大于实测安装温度的±5℃。

2.二次焊缝的焊接

a.可在多支一次性补偿器的限位块均起作用（限位块与外套筒接触）后，保持预热温度同时施焊；或在预热过程中对限位块先起作用的一次性补偿器二次焊缝先行施焊，其间预热并不须中断，直至预热段内所有一次性补偿器的二次焊缝焊接完成，这种做法可以大大减少预热过程所用的时间。

b.二次焊缝补强。由于二次焊缝为纯承受剪力的焊缝，故必须进行补强处理。另外，根据不同结构的一次性补偿器，应采用不同的焊接工艺。

值得一提的是，预热质量是由一次性补偿器的限位块保证，所以预热时必须升温至所有一次性补偿器的限位块均起作用。理论上讲，预热段内的多支一次性补偿器中只要有一支的限位块没起作用，预热操作就没有结束。

3.一次性补偿器的最大安装长度

最大安装长度的确定应该综合下述三方面的因素：

a.由于管段受到土壤摩擦力的影响，管段越长，摩擦力越大，实际的预热温度度ty将越高。实际操作中，ty应小于t2，且宜使ty≤95℃。否则，预热现场比较复杂，难度加大。

b.单支一次性补偿器最大安装长度的管段内不能出现锚固段。否则实际位移与计算位移值不符，预热工程失控。

c.管网在运行初次升、降温循环过程中，不允许管道发生塑性变形。否则零应力温度tm将发生漂移，管网的实际应力水平超出设计控制。

八、结论

1.预热安装并没有改变管段内的当量应力，只是用零应力温度重新分配管段内的拉应力和压应力，从而实现延长城镇供热管网的使用寿命；

2.一次性补偿器安装完毕后其强度与管道相同，减少管道泄漏隐患，大大提高管道的安全性；

3. 二次焊口焊接后完全密封，通过保温层与外界隔绝，有效解决了波纹管受地下水腐蚀问题，这一点对地下水腐蚀性强的地区尤为重要；

4.预热安装经济快捷，能够缩短工期。补偿器安装通常是在管道安装完毕之后，在直管上的特定位置截取与补偿器等长的管段进行置换，费时费料。而一次性补偿器可以与管道安装同时进行，经济快捷，预热安装完成后成为直管的一部分，所以能够大大降低工程造价。