金属波纹膨胀节在供热直埋管道中的设置

[摘要]介绍了在供热直埋管道中金属波纹膨胀节的特点、补偿类型及其优缺点和设置步骤及在设计使用时应注意的事项。
1 引 言
金属波纹膨胀节也称波形伸缩器，是近十几年来国际上广泛使用的一种管道补偿构件。近年来，这一新型构件开始在我国不同领域广泛应用。供热管道的直埋技术由于其先进和施工成本低等优点而被广泛采用，直埋管道的补偿方法及其补偿器也随之被开发。用于直埋管道补偿的波纹膨胀节，以其易安装、体积小、占地面积小、补偿量大等特点而较之传统的"π"型等补偿器显示出明显的优势。
波纹膨胀节产品的设计生产涉及材料学、力学、热力学等多种学科，是一个复杂的弹性力学问题。目前国外提出的理论和经验方法很多，各种方法之间差异较大，与实际经验之间的差距有时更大。这就给产品的设计带来了问题。实际上，国内目前各制造厂所采用的设计方法也不尽相同，因而设计结果差异甚远。特别是用直埋供热管道中的波纹膨胀节差别就更 人。为避免造成不必要的浪费，甚至导致工程事故的发生，了解、掌握供热直埋管道波纹膨胀节的特点、补偿类型、设置步骤及注意事项便是本文的目的。
2 直埋式波纹膨胀节的特点
尽管直埋式波纹膨胀节与用于架空和地沟内的普通波纹膨胀节其作用是相同的，都是用来补偿因受热而引起的管道膨胀，并且其制造材料均为不锈钢。但是，直埋式波纹膨胀节与普通式波纹膨胀节决不能混同。普通式波纹膨胀节不能浸泡在污水中，更不能直接埋在泥土。因为普通式波纹膨胀节是不锈钢波纹与碳钢经氢弧焊焊接而成，当其浸泡在污水或直埋在泥 土里中的氯离子含量超过 -定数量时，将在不锈钢与碳钢焊接的接口处产生电化学腐蚀，加速焊口的破坏降低使用寿命，使波纹膨胀节报废。而直埋式波纹膨胀节由于采取了使膨胀节与积水隔绝的措施，从而实现了全直埋，使波纹膨胀节与管道的使用寿命相同。
3 直埋式波纹膨胀节的类型
直埋式波纹膨胀节按补偿方式分，主要有如下三种。
3.1 一次性直埋膨胀节
一次性直埋膨胀节结构型式见图1。其工作原理是将该种产品装在管道上后，给管道加热到要求的温度，管道热伸长，波纹膨胀节被相应压缩，在此状态下将外套4 在A环缝处密封焊接，补偿器成为刚性整体，不再有补偿能力。工作中则由管路的拉伸一压缩弹性变形进行补偿，所以实质上对于管道是属于无补偿直埋。用这种方法波纹膨胀节只补偿了该段管路在 设计温差下产生变形总量的一部分，它的作用只使管路工作中拉伸一压缩的平衡点处在设计温差下变形总量的中点。使拉伸、压缩应力基本相等，起降低管路拉伸或压缩变形应力的作用。

图1一次性直埋式波纹膨胀节
这种类型的波纹膨胀节一般补偿量小，无寿命要求，无疲劳失效问题，管路不需滑动支架，造价也低。但施工中需给管路加热和补偿器A处环焊缝的焊接，增加了施工难度。
3·2 自由补偿直埋波纹膨胀节
自由补偿直埋波纹膨胀节如图2。这种结构使波纹管在外壳4的保护下实现自由伸缩补偿，其他性能与非直埋波纹膨胀节相同。这种补偿器与一次性直埋补偿器比，管道变形应力小、安装简单，膨胀节有抗弯能力可不考虑管道下沉的影响。缺点:由于是直埋地下，要求补偿器与管道同寿命，寿命一般不低于20年;体积较大，造价高。

图2 自由补偿式波纹膨胀节
3.3 井置式波纹膨胀节
井置式波纹膨胀节如图3。这种波纹膨胀节是管道直埋补偿器设在井内实现自由补偿的。由于管道埋在地下随土层下沉，使管道轴线对波纹膨胀节轴线产生较大偏离，严重的会使波纹膨胀节损坏。故应对管道增加一个滑动支座，井壁做第一个滑动支座，再增加滑动支座6。支座距离井壁14D。这样即使土层下沉也不会引起管道对波纹膨胀节的偏离。

图3 井置式波纹补偿器
3.4 三种波纹膨胀节的特点
在以上三种补偿器形式中，一次性直埋波纹膨胀节由于安装施工中要求管道加热，要配备移动锅炉，增加了施工难度，影响了它的应用推广。如果施工设备配套，解决了管道加热技术，使安装变得简单，这种补偿方式就大有推广意义。
自由补偿直埋波纹膨胀节具有在直埋管道上实现自由补偿和安装简单的特点，因而很受工程设计者的欢迎。但是由于该波纹膨胀节直埋地下，要求产品结构及寿命必须可靠，安装施工必须严格无误，土层及地下水氯离子含量不许超标，这几方面必须做到万无一先否则出现故障时返修工程量大并且十分麻烦。所以选用自由补偿式波纹管要慎重。
井置式波纹膨胀节设在井内，它的工作状态相当于架空或地沟设置波纹膨胀节的工作状态，这方面在国内无论是工程设计、补偿器产品及安装施工都很成熟。所以按国内现有状况，在直埋管道中采用井置式波纹膨胀节更现实、可靠。对于直埋管道笔者推荐采用这种补偿型式。
4 设置步骤
4.1 管线分段 一条管线无论如何复杂都可以通过设置固定支座将其分割成若干形状相对简单的独立管段，如直管段，L形管段，Z形管段等;
4·2 确定补偿量 根据管道材料在工作温度范围内的热膨胀系数及管段长度，计算出所分管段即两个固定支座间的工作位移量;
4·3 选定补偿器 根据所设计的管道补偿方式和管道的工作温度、压力等选定补偿器。使之能够容纳计算出的管段的位移量;
4·4 设计固定支座 供热管道受热伸长时将会对固定支座施加一定的推力，设计时应计算其推力的大小，以确定固定支座的断面。
5 设置中应注意的事项
5·1 直埋式波纹膨胀节由于其补偿方式的不同，而使产品的生产加工以及选型、安装差异甚大，在选择直埋式波纹膨胀节前，必须首先确定好采用什么补偿方式。并根据补偿方式的要求进行有关计算、选型、安装等。不可将所有补偿方式混为一谈。
5·2 直埋式波纹膨胀节补偿量的计算，是按架空或地沟内管道的布置形式计算的，但事实上，管道直埋在土里与管道架空或在地沟内的情形是有区别的。由于管道的直埋，增加了管道与回填土(沙)的摩擦，使本应由两个固定支座承受的力转化为一部分施加在固定支座上，另一部分施加在管道上，这样就要校核管道所承受的应力是否超过管道的允许应力，特别是在管道转弯处。另外对补偿量也可按下限选择。
5·3 从直埋式波纹膨胀节的构造中可以看出，膨胀节大多数均设有导流套。其主要作用就是减少介质的流道阻力。但是，导流套是有方向的，若安装方向有误将起不到其导流的作用。所以，必须注意导流套的方向。尤其当供回水管的波纹膨胀节装置在平行相同位置时，供回水水流方向相反而容易弄错方向。
5·4 直埋管中波纹膨胀节的设置位置应根据补偿方式不同而有所变化。两个固定支座之间，只装一个波纹膨胀节。对一次性直埋波纹膨胀节应设置在两固定支座的中间; 对自由补偿直埋波纹膨胀节的设置位置应靠近两个固定支座中的一个，而远离另一个固定支座(见图4)。这主要从波纹膨胀节本身的外型构造考虑，因为远离固定支座的(导向密封套)一端在受热时可自由伸缩，而靠近固定支座的一端，由于外壳4的突出增加了其伸缩的阻力，使之起不到补偿的作用。

图4 自由补偿立埋膨胀节设置示意图
6 结束语
直埋式波纹膨胀节做为一种新兴的管道补偿设备有广阔的发展前景。笔者仅就目前各生产厂家直埋波纹膨胀节的特点、类型及设置时应注意的事项做以简述。随着直埋式波纹膨胀节的进一步发展，用技术措施或规范波纹膨胀节产品的设计、生产及使用设置将是众望所归。