暖通空调水系统管道热补偿的布置方案

一．引言

现代建筑多为高层或超高层的建筑，在其暖通系统中立管常常超过一百米，为了保证竖向的水管能安全、可靠的安装和运行，往往需要设置固定支架和膨胀补偿器。如向正确的计算固定支架的受力和合理的选择补偿器，这对建筑物的结构的受力显得十分重要。我以下面案例作为分析一起探讨。

二．方案概述

1．项目位于天津市的暖通空调系统，空调水管道最大口径为DN400，系统设计工作压力为1600kpa。

2．系统所处的环境温度和工况温度；

3． 由于钢管的承压能力很强，管道内部因介质压力引起的张力通常被人忽视，当在管道上加入弹性类的补偿器后，其内部张力的的作用就非常明显，如果不加限制，这些弹性类的管道器件将会被拉长甚至受损，在补偿器的两端设置固定支架后，管道的张力将通过固定支架传递到相应的建筑结构上。由于管径较大，管道补偿作用在受力固定支架上的推力会很大，可能会对某些末经特殊设计的结构构成威胁。为此，提前对管道上需要设置的弹性类管道器件（补偿器，软接头）及其固定支架进行规划和布置，明确固定支架上的受力，寻求结构受力有准备的支持。

4． 补偿方式和支架安装位置

在进行平面管道布置时，尽量采取自然补偿的热补偿方式，尽可能避免大口径管道的架设对结构受力造成大的影响。具体做法是：当直管的长度少于60米的，在直管的中部设置非受力的（不受管道张力的作用的）固定支架，使管道从固定点到自由端的长度小于30米，免除在长管中设置补偿器。

1． 当遇到长走廊或遇到其他无法调整直管长度的情况时，采取设置不锈钢波纹管的补偿方式。其布置时应注意支架的设置，这是补偿器正常运行的决定因素。具体做法是：以波纹管伸缩节及其两端的固定支架形成的三个点，固定支架和导向支架的位置还需根据就近主梁的位置稍作调整，如下图所示：

2． 互为自由端的管道拐角处支架采用能稍作摆动的悬挂式管道支架，以吸收自由端自然补偿的变形量。管道拐角处的悬挂式支架分别设置三组。

3． 其余有导向作用要求的支架采用稳定型的悬挂式管道支架。

4． 管道跨越结构变形缝时，变形缝两端应设固定支架和伸缩节。

5． 管道的固定支架（横管和立管）。套管的外表可与连接钢板直接焊接，形成多种与结构的联结方式。

6． 不足50米的空调水立管，依计算补偿量少于40mm,可采用自然补偿的热补偿方式。其固定支架的布置可在其中部）设置一个固定支架，使上下自由端与固定架的长度少于25米。其补偿量和固定支架的计算如下：(选择最大管径的管井为计算作计算分折)

管井冷（热）水管系统

确定立管的总热伸长量：

立管总的热伸长量ΔL(mm)可按下式计算：ΔL＝αL(t2-t1) = 0.012 * 40 (60 0) = 28.8 mm

补偿量ΔL = 28.8 mm少于40mm,可采用自然补偿的热补偿方式。式中：

α――管道的线膨胀系数，一般可取α＝12×10-6m/m.。C；t2――管道的最高使用温度。C，根据设计取供水温度60。C；t1――管道安装时的温度，近似取0。C；L――管道的长度，m

水管伸缩器及固定支架承重计算书

1) 固定支架上部水管的伸缩量计算

a) 伸缩量 = 23(管长)* 0.012 * 60(温差)= 16.56 mm

b) 膨胀引起的弹性力 = K * Δδ=231(DN200的刚度N/mm) * 16.56(膨胀量) =3825.36N

2) 固定支架下部水管的伸缩量计算

a) 伸缩量 = 17(管长) * 0.012 * 60(温差)= 12.24 mm

b) 膨胀引起的弹性力(为L形补偿的长臂固定点的弹性力) 如图：

= ( B`/L21) * (a*E*J*Δt / 107 )=(1.8/16) * 14423.04= 1622.6N式中：B`―L形补偿器长臂弹性力系数;(a*E*J*Δt / 107 )――辅助数值

3) 支架的受力计算

F=L1q1+L2q2+L3q3+L4q4-Pn0A1+Pn1(A1-A2)+Pn2(A2-A3)+Pn3(A3-A4)+Pn4A4+Fy

F = 18.8(管道加保温的重量N/m)*5.5 (管长m) + 103.8(管道加保温的重量N/m)* 6.5(管长m) + 316.4(管道加保温的重量N/m)*15 (管长m) + 626.6(管道加保温的重量N/m)*13 (管长m) 350 (顶端管内的水压力N) 5549.25 (变径管水压N) - 19311(变径管水压N) - 36670(变径管水压N) + 86100 (管内的水压力N) + 1622.6(L形补偿的长臂固定点的弹性力N)= 39512.25N

固定支架最大承重力 = 39512.25*2 (供回水管) =79024.5 N

以上计算选择了裙楼最大管径的管井L4作为裙楼的固定架受力计算。裙楼的其余管井可选用此受力难以确定立管固定支架最大承重力。

8立管上，下方自由端处的横管采用弹性悬挂式管道支架，以吸收自由端处的热补偿量。上方自由端的横管处，当管径较小时，其热补偿量由管道自行吸收。

9塔楼部分 的暖通空调水立管，其热补偿的布置采用小于/等于50米设置一组补偿的连续布置方式，其膨胀伸缩补偿和固定支架的受力计算如下：

冷冻水管系统

冷冻水管伸缩器及固定支架承重计算书

立管1总的热伸长量：

立管总的热伸长量ΔL(mm)可按下式计算：ΔL＝αL(t2-t1) = 0.012 * 90 (60 0)= 64.8 mm。按补偿量，立管设2个补偿量为40mm 的波纹补偿器。

立管2总的热伸长量：

立管总的热伸长量ΔL(mm)可按下式计算：ΔL＝αL(t2-t1) = 0.012 * 112(60 0)= 80.64mm。按补偿量，立管设3个补偿量为40mm 的波纹补偿器。

1) 固定支架1与2之间的伸缩量计算

a) 伸缩量 = 38(管长) * 0.012 * 60(温差)= 27.36 mm

b) 膨胀引起的弹性力 = K * Δδ=218(DN350的刚度N/mm) * 27.36(膨胀量) =5964.48N

2) 固定支架2与3之间的伸缩量计算

a) 伸缩量 = 43(管长) * 0.012 * 60(温差)= 30.96 mm

b) 膨胀引起的弹性力 = K * Δδ=218(DN350的刚度N/mm) * 30.96(膨胀量) =6749.28N

3) 固定支架4与5之间的伸缩量计算

a) 伸缩量= 38(管长) * 0.012 * 60(温差)= 27.36 mm

b) 膨胀引起的弹性力 = K * Δδ=196(DN250的刚度N/mm) * 27.36(膨胀量) =5362.56N

4) 固定支架5与6之间的伸缩量计算

a) 伸缩量 = 43(管长) * 0.012 * 60(温差)= 30.96 mm

b) 膨胀引起的弹性力 = K * Δδ=196(DN250的刚度N/mm) * 30.96(膨胀量) =6068.16N

5) 固定支架 6 与 7 之间的伸缩量计算

a) 伸缩量 = 22(管长) * 0.012 * 60(温差)= 15.84 mm;b) 膨胀引起的弹性力 = K * Δδ=232(DN400的刚度N/mm) * 15.84(膨胀量) =3674.88N。

6) 立管1顶部自然补偿的伸缩量计算

a) 伸缩量 = 3.5(管长)* 0.012 * 60(温差)= 3 mm;b) 膨胀引起的弹性力(为L形补偿的短臂固定点的弹性力)= ( B/L21) * (a*E*J*Δt / 107 )=(1.8/12.25) * 25380= 3729.3 N

7) 立管1底部自然补偿的伸缩量计算

a) 伸缩量 = 5.5(管长)* 0.012 * 60(温差)= 4 mm;b) 膨胀引起的弹性力(为L形补偿的短臂固定点的弹性力)= ( B/L21) * (a*E*J*Δt / 107 )=(2.2/30.25) * 25380= 1845.8N

8) 立管2底部自然补偿的伸缩量计算

a) 伸缩量 = 5.5(管长)* 0.012 * 60(温差)= 4 mm;b) 膨胀引起的弹性力(为L形补偿的短臂固定点的弹性力)= ( B/L21) * (a*E*J*Δt / 107 )=(5.5/30.25) * 25380= 4614.54N

9) 支架1的受力计算

F1 = Lq+fd2+fd1

821.8(管道加保温的重量N/m) * 20.5 (管长m) + 5964.48(伸缩器的弹性力N) + 3729.3 (自然补偿的弹性力)= 26540.68 N

10) 支架2的受力计算

F2 = Lq+fd3-0.7fd2

821.8(管道加保温的重量N/m) * 42 (管长m) + 6749.28 (伸缩器的弹性力N) 4175.14(自然补偿的弹性力)= 37089.74 N

11) 支架3的受力计算

F3 = Lq+fd3+fd4+PnA

821.8(管道加保温的重量N/m) * 27.5 (管长m) + 6749.28 (伸缩器的弹性力N) + 1845.8 (自然补偿的弹性力) + 98880(管内水压力)= 130074.58 N

12) 支架4的受力计算

F4 = Lq+fd5- PnA

464.2(管道加保温的重量N/m) * 20.5 (管长m) + 5362.56 (伸缩器的弹性力N) - 2880(阀门顶部的水压力)=11998.66N

13) 支架5的受力计算

F5= Lq+fd6-0.7fd5

464.2(管道加保温的重量N/m) * 42 (管长m) + 6068.16 (伸缩器的弹性力N) 3753.8(自然补偿的弹性力)=21810.76N

14) 支架6的受力计算

F6 = L1q1+L2q2+Pn(A1-A2)+fd6 - 0.7fd7

464.2(管道加保温的重量N/m) * 27.5 (管长m)+ 931.5(管道加保温的重量N/m) * 5.5 (管长m) +26640(变径管内水压力) +6068.16 (伸缩器的弹性力N) 2572.42(伸缩器的弹性力N)=48024.5N

15) 支架7的受力计算

F7 = Lq+fd7+fd8+PnA2

931.5(管道加保温的重量N/m) * 16.5(管长m) +3674.88 (伸缩器的弹性力N) +4614.54 (自然补偿的弹性力) + 157000(管内水压力)= 180659.2 N。

16) 安装支架的最大受力

可以用固定支架7最大承重力作计算 = 180659.2 *2(供回水管) =361318.4 N

说明:

1; 按使用的温差为 t = 60 ℃计算；

2; 计算式中的数据依《实用供热空调设计手册》作参考；

3; 保温层的厚度和密度选用64kg/m3计算。

三． 结语

从上面的分析可以看出，固定支架7的受力达到三百多KN，结构设计必需要采取相应的加固处理措施。固定支架和补偿器的设置应按照一定的步骤精心设计，并密切配合施工单位施工才能获得较好的效果。对此我们应充分重视，不能草草了事。

注：文章中涉及的公式和图表请用PDF格式打开