管沟敷设热网管道固定支架的选择与计算

摘要：供热管网中的管道在运行的过程中，经常会出现热胀冷缩的现象。因此，在设计时，应该综合考虑管道伸缩位移等不同情况，在管道上进行补偿器的安装以及固定支架的设置，而在选择计算固定支架时应该结合其受力情况。本文笔者在力学公式的前提上，根据自身多年的设计经验，将不同的固定支架与补偿器的安装方式进行比较，针对固定支架受的水平推力，对不同固定支架在安装时的缺点以及优点进行归纳。

关键词：固定支架；管沟敷设；热网管道；选择和计算

中图分类号：U175.5文献标识码：A 文章编号：

随着社会经济的迅速发展，城市集中供热的快速发展，其热网的规模也在不断地扩大，室外的供热管道敷设技术水平也取得了突飞猛进的发展。地下敷设过程中，由于管沟敷设敷设形式具有很多的优点，已经成为了城镇集中供热管道最常用的一种敷设方式。但是因供热管道存在热胀冷缩的现象，很容易使管道出现轴向位移，在这种情况下必须要在管道上进行补偿器的安装以及固定支架的设置，在这其中就涉及到了选择和计算固定支架等问题。本文笔者管沟敷设热网管道固定支架的选择和计算进行研究和分析。

1.固定支架的受力

固定支架所受力主要有以下几种：第一，介质内压力所产生的轴向应力和径向应力；第二，因热膨胀所产生的弯曲应力以及弹性力所产生的轴向应力；第三，风力作用所产生的弯曲应力；第四，冷紧或者冷缩所产生的弯曲应力；第五，因套筒补偿器摩擦力与管道水平位移所产生的轴向应力。而本文笔者主要从弹性力所产生的轴向应力、热膨胀所产生的弯曲应力以及冷紧或者冷缩所产生的弯曲应力等不同方面进行研究和分析，主要从设备相同的条件下，固定支架的位置和数量的不同也会造成支架的受力不同来进行详细地阐述。

2.管沟敷设热网管道的固定支架受力计算

将固定支架设置在供热管道上就是为了限制管道的轴向位移，把管道分为若干的补偿管段，分别实施补偿，以此确保各补偿器能够正常的工作。固定支架作为供热管道中一个关键的受力构件，在进行计算和选择的时候，必须要在节约投资的前提上，尽量将固定支架的间距加大，其间距必须要满足以下几个方面的内容：第一，管段的热伸长量不能大于补偿器所允许的补偿量。第二，管道由于膨胀或者其他作用所产生的推力，不能大于固定支架所能承受的允许推力范围内。第三，管道不能产生纵向弯曲。

固定支架所承受的水平推力主要是由以下几个方面产生的：第一，因活动支座上的摩擦力所产生的一种水平推力为P8·m，可以按照以下公式来进行计算：P8·m=μqL，其中q为计算管道单位长度自体荷载，其单位为N/m；μ是摩擦系数，钢对钢μ为0.3；L为管段的计算长度，其单位为m。第二，因波纹管补偿器或者方形补偿器的弹性力Pt，以及套筒补偿器的摩擦力所产生的水平推力，在供热管道上，其轴向的波纹管补偿器在受到热膨胀的时候，因热伸长而产生的弹性力Pt，可以按照以下公式来进行计算：Pt=KΔχ，其中Δχ为波纹管补偿器轴向位移，K为波纹管补偿器轴向刚度，其单位为N/m。第三，因波纹管补偿器内的压力产生的水平推力P，其中P=PB+POf或者P=PB+POSi，其中PB为波纹管补偿器的波壁所承受的内压轴向力，PO为波纹管补偿器工作压力，Si为波纹管补偿器的有效面积，f为管道内截面积。第四，在套管补偿器中因管道内的压力所产生的摩擦力Pm：其公式为Pm=A PnDtwμB，其中A为系数，若DN小于等于400mm，其A为0.2，如果大于450mm，其A为0.175，Pn为管道内的压力，Dtw为管道补偿器中套管的外径，μ为管道和填料的摩擦系数，若采用的是橡胶填料，μ为0.15，若是涂石墨圈和油浸，μ为0.1；B为沿着补偿器向上填料长度。第五，因不平衡内压力所产生的水平推力，若在固定支座的两端管段设置享用的波纹管补偿器或者套管补偿器，但是其管径的不同；或者在固定支座的两端管段中一端，设置堵板、阀门以及弯管，而在管段另一端设置波纹管补偿器或者套管补偿器，当在进行管道水压运行和试验的时候，就会出现不同的轴向力，其具体的计算方式主要见表一。

3.在实例中的选择和计算

通过上述的相关情况以及计算方式，本文笔者就一典型的计算实例来进行详细地研究和分析，其计算条件主要如下：第一，敷设的方式为管沟敷设，其管径为DN200，管道的压力为0.064MPa；第二，管段长为160m，热媒为130℃，其管道的单位长度重量q=772.75kg/m，补偿器的型号为RZ10-200-41，属于内压轴向型，轴向刚度为271N/mm；波纹管的有效截面积S1=480cm2；其轴向的总补偿量为41mm。下面针对不同固定支架以及补偿器的设置方式来计算支架的水平推力。

其方案一主要如图一所示。该方案的特点就是，从前3个管段获取固定支架最大的间距，在本方案其间距取50m，支架4、5间距为10m，前两个补偿器主要集中设置在固定支架2的两边，固定支架的水平推力计算主要如下：

第一，因1#和5#的受力是由两侧的实际情况所决定的，由于其条件的不明朗，因此在本文中不予研究和分析。而4#支架的水平推力计算：F=Pt+μqL+P，Pt为波纹补偿器弹性力，通过Pt=KΔχ这个公式来进行居易的计算，其Pt=KΔχ=271×41=11111N，P为波纹管内压产生的水平推力，根据P=PB+POf或者P=PB+POSi计算其P=POSi=480×0.64=30720N；μtqL=50×777.75×0.3=11591.25N；F1=1591.25+30720+11111=530422.25N。

第二，2#支架的水平推力计算，F= Pt1+μqL1+ PB—0.7，通过计算可以得出Pt1= Pt= Pt2=1111N，PB=10624 N，μqL1=11591.25N，2#支架的水平推力F2=9997.875N。根据这种方法来计算3#支架的水平推力，其F3=45308.38N。

方案二，本方案的特点和方案一类似，其不同的是前两个补偿器分别设置在固定支架上的1和2的右边（如图二所示），利用上述的计算方法，2#和3#支架的水平推力为45308.25N，4#支架的水平推力为53422.25N。

方案三（如图三所示），本方案的特点是把管段在支架的最大间距范围内进行平均分配，该方案的一个优点就是所选用的补偿器和支架的型号是相同的，便于采购以及维修，但是其缺点就是因支架间距缩短，导致支架的数量增多。

通过对这些不同方案的比较，可以得出以下两点结论：第一，根据管道长度在设置补偿器和固定支架的时候，可以进行均匀设置，以此延长固定支架的使用寿命。第二，当在进行补偿器设置的时候，补偿器的位置对于固定支架受力有着很大的影响，因此，在设置固定支架和补偿器的时候，二者尽量一一对应设置。

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