直埋供热管道补偿器设置工程实例

摘要：随着供热管道直埋敷设技术的发展，无补偿安装的技术以其良好的社会效益和经济效应将得到越来越多的普及。在直埋供热管道工程设计中，我们应该进行合理的应力计算分析，选择最经济的管道壁厚。同时应该尽量利用管网的自然补偿，减少人为补偿器的设置，已达到减少管网隐患点，使供热管网更加安全稳定经济的运行。

关键字：供热直埋 自然补偿 补偿器 应力计算 无补偿

中图分类号：TU74 文献标识码： A

一、补偿器的作用

供热工程中，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，需要在管道上设置补偿器，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。供热管道形成有补偿管段的补偿装置分为以下几种：

（1）管道定线时自然形成的补偿弯管；

（2）人为设置的L型、Z型和U型补偿弯管；

（3）波纹补偿器、套筒补偿器、旋转补偿器等。

当供热管道经过应力分析需要设置补偿装置，且没有设置自然补偿的条件时，就需要设置补偿器。而当采用补偿器时，补偿器势必会取代管道，形成管网的危险点，这又会增加管网的事故概率。因此，在管网设计中，应尽量减少补偿器的设置，更没有必要使整个管网都处于有补偿管段中，这样，既增加了管网的投资，又增加大了出现事故的概率，降低管网的可靠性。

二、常用补偿器类型

在直埋供热管道中，最常用的补偿器为套筒补偿器和波纹管补偿器。

2.1 套筒补偿器

套筒补偿器主要有套筒（芯管），外壳，密封材料等组成.用于补偿管道的轴向伸缩及任意角度的轴向转动.具有体积小补偿量大的特点适用于热水、蒸气、油脂类介质，通过滑动套筒对外套筒的滑移运动，达到热膨胀的补偿。套筒式补偿器适用于介质工程压力≤2.5MPa，介质温度-40℃～600℃，热补偿量可按要求进行设计。单向补偿型产品，热补偿量实际使用可达500mm以上，双向补偿型产品，热补偿量实际使用可达1000mm以上。

2.2 波纹管补偿器

由单层或多层不锈钢板组成，其单层厚度一般为0.3～1.2毫米，其波形经过胀波挤压形成。波纹管尺寸参数根据设计压力、设计温度等确定。波纹管使用极限寿命一般以许用循环次数1000次为标准。

三、工程实例

3.1 工程简介

焦作市万方电厂配套供热管网工程，以万方电厂热电联产机组为热源，向焦作市东部供热区进行集中供热。该工程最大设计管径DN1200，供回水设计温度采用130/70℃，设计压力1.6MPa。本工程为DN600分支管工程，沿规划的市政道路下敷设，总长度约1.4公里，中间需要穿越铁路一次。

3.2 工程的初步设计

管道安装温度取10℃，管道最高运行温度130℃，那么管道的安装温差为120℃。为了提高管网的安全稳定性，同时降低工程造价，本工程采用预制直埋保温管的电预热方式，电预热到70℃安装，那么管道的安装温差为60℃。

根据现场踏勘，在确认管线敷设完全可以躲开自来水井、污水井、雨水井、电力井等障碍物的前提下，确定了本工程的管线路由（如图所示）。本工程平均管顶埋深为1.5m，管道坡度变化不小于2‰，高点设置放气井，低点设置放水井。

3.3 管道壁厚的选择

管道壁厚的选择，主要依据《城镇供热直埋热水管道技术规程》CJJ/T 81-2013（以下简称《规程》）中工作管最小壁厚、循环塑性变形验算、局部稳定性验算以及径向稳定性验算确定。

1）工作管最小壁厚

根据《规程》，工作钢管的计算壁厚按下式：

δt=PdD0/（2 [σ]φ+2YPd）+B

式中：δt―管道的理论计算壁厚（m），

Pd ―管道的计算压力（MPa），

D0―管道的理论计算壁厚（m），

[σ] ―管材在计算温度下的基本许用应力（MPa），

φ―许用应力修正系数，

Y―温度修正系数，

B―管道壁厚附加值（m）

经计算，DN600的计算壁厚为4.69mm。

2）循环塑性变形验算

根据《规程》（5.3.5），应满足下列表达式：

（2）

式中―内压、热胀应力的当量应力变化范围，MPa；

―泊松系数；

―管道内压引起的环向应力，MPa；

―钢材的线性膨胀系数，1/℃；

―钢材的弹性模量，MPa；

―管道工作循环最高温度，℃；

―管道工作循环最低温度，℃；

―钢材在计算温度下的基本许用应力，MPa。

将相关参数代入式（2），计算结果如下：

管道规格 壁厚（mm） 允许最大循环温差[]（℃）

DN600 8 135.26

由于，满足式（2）的要求，故管道不会产生循环塑性变形，即管网可以采用无补偿冷安装的敷设方式，不需要敷设波纹补偿器或补偿弯管也可以保证直管的安全。

3）局部稳定性验算

根据《规程》（5.4.2），局部失稳验算应满足下列表达式：

（3）

式中――工作管外径，m；

――工作管公称壁厚，m；

――钢材的线膨胀系数，m/（mq℃）；

――钢材的弹性模量，MPa；

――管道工作最高循环温度，℃；

――管道计算安装温度，℃；

――钢材的泊松系数，取0.3；

――管道计算压力，MPa。

由于该项目长直管线采用电预热安装，局部采用采用无补偿冷安装，按最不利考虑，取安装温度为10℃，将相关参数代入式（3），计算得出在保证管网不会出现局部失稳的前提下，DN600管道的最小壁厚为6.96mm。

4）径向稳定性验算

（4）

（5）

式中――工作管径向最大变形量，m；

――管顶单位面积上总垂直荷载，包括管顶垂直土荷载和地面车辆传递到钢管上的荷载，KPa；

――工作管外径，m；

――钢材的弹性模量，KPa；

――工作管公称壁厚，m；

――工作管平均半径，m。

将相关参数代入式（4）及式（5），当DN600管道壁厚选取8mm时，=0.017D0

综上所述，该项目DN600管道壁厚选取为8mm，能够满足工作管最小壁厚、循环塑性变形验算、局部稳定性验算以及径向稳定性验算要求。

3.4 补偿器设置

在直埋供热管道工程设计中，一般在以下几个位置设置补偿器：

1、应力集中的三通、弯头、变径管等构件处；

2、不具备完全补偿能力的折角弯管；

3、无法通过自然补偿进行补偿的地方。

如图所示，在本工程设计中，共设计了三处补偿器，分别是B1、B2、B3。补偿器具体设计如下：

1、B1、B2处

因为铁路与规划道路夹角为45°，铁路箱涵与规划道路夹角为45°，因此供热管道J5、J6处出现45°弯头。两处45°弯头的一端可以通过J6处90°弯头自然补偿，但是另外一端就需要设置人为补偿器补偿保护，即B1、B2补偿器。

2、B3处

因J10处为DN600/DN400三通，三通靠近末端弯头，经过计算该三通处热伸长为151.62mm，伸长量较大，需要人为设置补偿器进行补偿，即B3。

经过多种类型补偿器对比，最终确定了某品牌的直埋型套筒型补偿器，该补偿器与传统补偿器对比具有寿命长、安全性高、适用性广等优点。补偿器具体选型如下：

四、结论

供热直埋热水管道工程设计中，应尽量考虑利用管道的自然补偿，减少人为设置补偿器。这需要我们在精确的管道应力计算的基础上，选择科学合理的壁厚，允许长直管道进行无补偿安装，以达到经济技术的最优化。