浅谈波纹补偿器在直埋热力管线工程中的应用
1、前言
为顺应居住生活质量不断提高的发展趋势，满足小区居民对能源消耗不断增大的需要，在小区4台35t/h供热锅炉房的基础上增装了2台6MW的供热式汽轮发电机组，以热、电、冷、生活热水四联供的方式不热电联产，为小区居民提供高效、优质、低耗的生活热源。从而在节约能源、保护环境、减轻大气污染、降低城市噪声以及提高劳动生产率等方面为城市的居民供热及热能消费模式上走出了一条新路。
为实现小区居民优质冷热源的全天候供应，小区内埋设了管径为φ50一φ500，总长约30000m的直埋热力管线。管线介质温度分别为7/12℃(空调冷水)，60/50℃(空调热水)，60℃(生产热水),95/70℃(采暖热水),120/80℃(高温热水)。
直埋热力管线介质温度从夏季的7℃到冬季的60℃，由管线施工时的20℃到运行时的120℃，最大温差为100℃。直线管段长度由一般的30-200m，从而给直埋热力管线中热力补偿器的选用、设置、施工增加了一定的难度。
因此，正确地选用、安装波纹补偿器，吸收入补偿管线热胀冷缩产生的位移;减小管线因温度变化而产生'的冷热应力;避免因应力集中对管线造成破坏;防止事故发生是直埋热力管线工程设计、施工中不可忽视的重要环节。
2 以自然补偿替代元件补偿，减少补偿器的设置
在直埋热力管线的设计、施工中均要求按施工及验收规范回填一定要求的黄砂。当管线上部为非承压地面时，且热力管外保护壳为聚乙烯外壳时，热力管与土壤或黄砂之间的摩擦系数明显减小，这无疑为热力管线在温度变化时产生自由位移提供了有利条件，热力管的摩擦长度由此得以相应延长。从而可相应减少或免除补偿器的设置。
当然，热力管线在夏季施工时选定较高的气温下管(一般应高于20℃)，使热力管线的施工接近无补偿直埋敷设工艺，也是减少或免除补偿器设置约有效方法之一。
值得注意的是当热力管线采用玻璃钢保护壳时，由于玻璃布和涂料的混合缠绕，造成保护壳外表面凹凸不平，使得摩擦阻力增大，导致管线的摩擦长度缩短。这时，不仅不能随意减少补偿器的设置，反而应当相应增加补偿器的设置数量。
利用热力管线走向的各种折弯(如L型弯、Z型弯等)进行自然补偿，由此减少补偿器的设置数量。从而降低热力管线的工程造价，减少事故隐患，提高热力管线运行的可靠性，是热力管线工程中解决应力补偿的首选方案。
3、直埋热力管线摩擦长度的计算
直埋热力管线一般应按介质压力进行强度计算，以确定管道的壁厚。强度计算是否应考虑外荷载应视工程的具体情况确定。
管道直线段壁厚S的计算:
S=(P·dy)/(2σtn)
式中: P-- 管道的设计内压，MPa；
dy-- 钢管的外径，mm;
σtn--钢材的许用应力，MPa
考虑温度情况下轴向应力σat的计算:
σat =-E·α(t2-t1)
式中: E-- 弹性模量;
t1--管道固定或回填土时的温度，F;
t2--最高工作温度，℃
直埋热力管外保护壳与土壤或砂层的单位长度摩擦力f的计算:
f=μ·Pn·π·Dy
式中: f--每m管长的摩擦力，N/m;
μ--摩擦系数，μmax=0.6;μmin=0.2;
Pn--土壤对外保护壳的压力，N/m;
Dy--外保护壳的直径，mm
轴向力与摩擦力相等时的关系式:
F=f·Lf
式中： F--轴向力，N;
f--每m管长的摩擦力，N/m;
Lf--摩擦长度，m
摩擦长度:当直埋管线达到一定长度时，相应的管壁摩擦力与管线的轴向力相等，此时的管线长度即为摩擦长度。
不同管径的直埋热力管，最大允许摩擦长度和单位长度摩擦力的计算值如下表。
表1 最大摩擦长度和单位长度摩攘力的计算数值
制表原始条件:
管内压力:1.6MPa;许用应力:130MPa;线膨胀系数:α=l2xIO-6/℃;弹性模量:
E=2.08xlO5MPa;覆土深度'H=0·6m;摩擦系数 μ=0.4;土壤密度:ρ=1800kg/m3
4、补偿器的设置及管架
一般来说，在两个固定管架之间只设一个补偿器。在补偿器的一端设固定管架，另一端设导向管架。各管架的设置及距离大致如下:
图1补偿器与各管架的相对位置
补偿器距固定管架的距离L1=4D，补偿器距第一个导向管架的距离L2≤4D，距第二个导向管架的距离L3≌14D,D为管道外径。
立固定管架:承受管道推力作用的管架，一般设在管道的盲端、弯头、变截面、阀门以及管线的分支处。
次固定管架:设在补偿器之间，起分割补偿段作用的管架。次固定管架不承受推力作用，在管线正常工作时两端受力相等，合力为零。
导向管架:用来确保管线位移沿预定方向补偿的管架。
5、波纹补偿器的安装
波纹补偿器是目前直埋热力管线中普遍采用的热力补偿元件。
在直埋热力管线的常规设计和施工中，由于各类管架的施工难度较大，常受到小区地形条件的限制使得固定管架的基础处理和施工难以进行。因此，在小区直埋热力管线的施工中常常忽略各类管架的设置而采用其它方式加以解决，从而减轻了施工难度，缩短了施工周期，降低了工程造价。通过几年的运行实践证明，在具体施工中只要注意做到以下几点，就可以在直埋热力管线的施工中省略各类管架的设置。
5·1 注意做好缓冲垫的填放。
利用正式的缓冲垫(一般为密度150kg/m3聚氨酷弹性体)或利用现场管道接头发泡时产生的废泡沫块填放在弯头，三通、大小头及管线端头的两侧，以预留出管线自由位移的空隙。
5·2 避免热力管线对波纹补偿器产生弯矩作用。
热力管线在施工中由于不可避免地会出现不同程度的同心度偏差或敷设应力，从而使运行申的热力管线严重偏离设计位置，因此导致波纹补偿器在运行中受到不同程度的弯曲应力，影响波纹补偿器的正常工作，甚至缩短波纹补偿器的使用寿命，给热力管线的安全运引
留下了隐患。避免波纹补偿器受到弯曲应力的破坏，是热力管线施工中不可忽视的关键环节。
分析波纹补偿器受到弯矩作用的原因大致如下:
5.2.1 管线对接时偏心较大。
一般热力管线在施工中特别是当质量监理不得力时，施工队往往只求工程进度和经济效益，造成焊口对接质量严重超标，出现较大的同，L-偏差。当同心偏差积累较大时，便使运行中的热力管线对波纹补偿器产生巨大的弯矩作用(如图2)。
图2 处于弯矩作用下的波纹补偿器
5·2·2 热力管线在敷设时黄砂垫层不均匀或沟底不平吐导致管线偏心较大。
当砂垫层不均匀或沟槽底不平时，即使管线对接同心度较好，在管线埋设之后，管线仍不在同一轴线上，甚至出现严重的波折现象。特别是当沟底的地耐力不一致或地面荷载差别较大时，又导致管线产生明显的不均匀沉降。因此，当热力管线投入运行后同样会对波纹补偿器产生弯矩作用。
5.2.3管线在埋设时偏离管沟申心或受管沟侧壁的作用，导致热力管线对波纹补偿器产生弯矩作用，由于管沟在开挖时受特定环境条件的限制，特别是受到上水、下水、煤气、消防、电缆、通讯等各种管线的限制以及现场建筑土质的影响，常导致管沟的开挖无法满足设计要求，有时竟出现管线屈服于管沟的现象。热力管线受管沟的制约势必产生极大的偏心，造成热力管线运行时波纹补偿器产生较大的弯矩作用。避免热力管线对波纹补偿器产生弯曲应力是确保波纹补偿器安全工作，延长使用寿命，提高热力管线运行可靠性的关键。
6 结束语
直埋热力管线工程无论是设计还是施工，均应遵循技术先进、经济合理、安全适用的原则，为提高热力管线运行的安全性，对于应设置补偿器的管段应依据计算进行设置。如果为了慎重起见而过多设置补偿器，不仅增加工程造价，同时还由于补偿器设置过多而削弱了热力管线运行的安全性和可靠性。值得注意的是，对于必须设置补偿器的管段，一定要选用技术优良、抗扭力强、质量可靠的优质产品。