管道的热伸缩及其补偿管道的热伸缩及其补偿 北京市建筑设计研究院北京市建筑设计研究院zhangxihux263.netzhangxihux263.net1.1.管道热伸缩及其补偿为什么管道热伸缩及其补偿为什么是强制性条文？是强制性条文？2.2.热伸缩引起位移的允许最大热伸缩引起位移的允许最大值值? ?3.3.补偿器内压对固定支架作用补偿器内压对固定支架作用力力? ?4.4.其他问题其他问题1.1.采暖通风与空气调节设计规范采暖通风与空气调节设计规范4.8.174.8.17条条: : 采暖管道必须计算其热膨采暖管道必须计算其热膨胀。当利用管段的自然补偿不能满足胀。当利用管段的自然补偿不能满足要求时要求时, ,应设置补偿器。应设置补偿器。 为什么是强制性条文？为什么是强制性条文？ 两个典型工程事故的实两个典型工程事故的实例例 工程事故以后设计工程事故以后设计积极积极的和的和消极消极的的应对应对2. 2. 热伸缩引起位移的允许最大值热伸缩引起位移的允许最大值? ? 北京市建筑设计研究院建筑设备北京市建筑设计研究院建筑设备专业技术措施的专业技术措施的12.8.312.8.3条：条： 水平管或总立管固定点的布置，应水平管或总立管固定点的布置，应保证分支管接点处的最大位移保证分支管接点处的最大位移40mm40mm。无分支接点的管段，间距应保证伸缩无分支接点的管段，间距应保证伸缩量不大于补偿器或自然补偿所能吸收量不大于补偿器或自然补偿所能吸收的最大补偿量。的最大补偿量。 垂直双管系统、闭合管与立管同垂直双管系统、闭合管与立管同轴的垂直单管系统的连接散热器支管轴的垂直单管系统的连接散热器支管的立管，长度的立管，长度20m20m时，可在立管中时，可在立管中间设固定卡；长度间设固定卡；长度20m20m时，应采取时，应采取补偿措施。立管穿楼板处，应加套管。补偿措施。立管穿楼板处，应加套管。固定卡以下长度固定卡以下长度10m10m的立管，应以的立管，应以三个弯头与干管连接。三个弯头与干管连接。全全国国民民用用建建筑筑工工程程设设计计技技术术措措施施暖通空调暖通空调动力动力2.8.82.8.8条条: : “连连接接散散热热器器的的立立管管应应保保证证管管道道分分支支接接点点由由管管道道胀胀缩缩引引起起的的最最大位移不大于大位移不大于20mm20mm。” 安全度似不够安全度似不够? ?3.3.补偿器对固定支架作用力补偿器对固定支架作用力? ? 水平荷载包括：水平荷载包括： 活动支架因热伸缩引起的摩擦反力；活动支架因热伸缩引起的摩擦反力； 补偿器因热伸缩引起的的弹性反力；补偿器因热伸缩引起的的弹性反力； 因内压因内压不平衡产生的不平衡产生的推力。推力。 1 1）力是）力是矢量，有方矢量，有方向性向性。应在得到数。应在得到数值的同时，明确其值的同时，明确其方向。方向。2 2）应应以以每每个个固固定定支支架架为为对对象象，分分析析来来自自补补偿偿器器弹弹性性力力、滑滑动动支支架架摩摩擦擦力力和和内内压压不不平平衡衡推推力力作作用用的的方方向向和和数数值值。方方向向相相同同叠叠加加，方方向向相相反反抵抵消消，判判断断哪哪些些是是“平平衡衡”的的固固定定支支架架，哪哪些些是是“受力受力”的固定支架？的固定支架？3 3）还还应应研研究究和和比比较较哪哪些些力力是是在在热热态态运运行行时时发发生生，哪哪些些力力是是在在冷冷态态水水压压试试验验时时发发生生？取取“热热态态运运行行”或或“冷冷态态水水压压试试验验”时时的的较较大大值值，作作为为固固定定支支架架强强度设计的依据。度设计的依据。4 4）活动支架摩擦反力和补偿器弹性）活动支架摩擦反力和补偿器弹性反力对于固定支架作用力的大小和反力对于固定支架作用力的大小和方向，弯管补偿器或波纹补偿器是方向，弯管补偿器或波纹补偿器是相同的，但相同的，但内压不平衡产生的推力内压不平衡产生的推力则有显著的区别则有显著的区别。 这是后者常出现工程事故的主要这是后者常出现工程事故的主要原因。原因。弯管补偿器弯管补偿器 弯管补偿器的整体是弹性元件，弯管补偿器的整体是弹性元件，依靠整体构件的变形依靠整体构件的变形以形成以形成热伸热伸缩的缩的补偿量。补偿量。 但弯管本身是刚性的，在允许但弯管本身是刚性的，在允许承压条件下，内压作用不会引起承压条件下，内压作用不会引起弯管内腔弯管内腔的的变形。变形。对于弯管补偿器对于弯管补偿器: : 内压力内压力 P P 均匀作用于管内各均匀作用于管内各表面。表面。其中：其中： 环向力作用于管壁，由管壁材环向力作用于管壁，由管壁材料所承受料所承受, ,不会使管道内腔发生不会使管道内腔发生变形。变形。 轴向力（即轴向力（即“盲板力盲板力”）作用于固定）作用于固定支架左侧，大小为内压支架左侧，大小为内压 P P 乘以管断面乘以管断面积，方向为积，方向为 。 轴向力也作用于固定支架右侧，大小轴向力也作用于固定支架右侧，大小相同，方向为相同，方向为 。 由于两个力大小相等而方向相反，由于两个力大小相等而方向相反，内内压对固定支架的合力为零压对固定支架的合力为零。波纹补偿器波纹补偿器 波纹补偿器是弹性元件，与弯波纹补偿器是弹性元件，与弯管补偿器依靠整体构件的变形管补偿器依靠整体构件的变形以以形成补偿量不同，需要用形成补偿量不同，需要用波纹本波纹本身的身的变形以形成补偿量。变形以形成补偿量。 热伸缩和内压作用，都会引起热伸缩和内压作用，都会引起波纹本身的波纹本身的变形。变形。 压力压力 P P 均匀作用于管内各表均匀作用于管内各表面。其中：面。其中： 环向力作用于管壁，由管壁环向力作用于管壁，由管壁材料所承受。材料所承受。 轴向力作用于波纹，引起波轴向力作用于波纹，引起波纹的变形，并通过管道纹的变形，并通过管道作用于两作用于两端的固定支架端的固定支架。固定支架左侧承受轴向力，固定支架左侧承受轴向力，方向为方向为，大小为，大小为P P乘以波纹乘以波纹的断面积，即的断面积，即: : 固定支架固定支架右侧右侧承受作用于弯管处的轴承受作用于弯管处的轴向力（盲板力），方向也为向力（盲板力），方向也为，大小为，大小为P P乘以管断面积，即：乘以管断面积，即：由于两个力方向相同，内压对固定由于两个力方向相同，内压对固定支架的作用力为两个力的支架的作用力为两个力的合力合力。即。即: :例如：例如：D300mmD300mm管道上波纹补偿器的直径为管道上波纹补偿器的直径为350mm350mm，管内压力为，管内压力为1.0MPa1.0MPa。内压对固定支架的作用力为两个力的合力内压对固定支架的作用力为两个力的合力约约96kN 96kN ： 如果水压试验压力为工作压如果水压试验压力为工作压力的力的1.51.5倍，则水压试验对固倍，则水压试验对固定支架的作用力将达到定支架的作用力将达到14424kgf14424kgf（14.4t 14.4t 140kN140kN）。 而对于波纹补偿器左侧的固定支而对于波纹补偿器左侧的固定支架，由于承受左侧另一个波纹补偿架，由于承受左侧另一个波纹补偿器的内压作用力，由于两个力大小器的内压作用力，由于两个力大小相等而方向相反，合力为零，会是相等而方向相反，合力为零，会是一个一个“平衡平衡”固定支架。固定支架。 但是，当采取分段试压或其间有但是，当采取分段试压或其间有阀门关闭时，仍会是阀门关闭时，仍会是“受力受力”固定固定支架。支架。 所以，第一，即使是相同的所以，第一，即使是相同的波波纹补偿器，对固定支架的作用力，纹补偿器，对固定支架的作用力，也会因配置方式各异而不同。也会因配置方式各异而不同。 可见，把设计责任推给波纹补可见，把设计责任推给波纹补偿器厂家是没有道理的。偿器厂家是没有道理的。 进进行行管管系系强强度度设设计计，是是研研究究管管系系（包包括括补补偿偿器器）对对固固定定支支架架的的作作用用力力，不不是是研研究究补补偿偿器器本本身身的的刚刚度度、承承压压、补补偿偿量量和和工工作作寿寿命命，许许多多设设计计手手册册或或教教科科书书已已阐阐述述得得很很清清楚楚，设设计计人人员员应应该该具具备备正正确确设设计计的的能能力力，完完全全不不应应该该依依赖赖补补偿偿器器厂厂家的技术支持家的技术支持 。 所以，第二，较大口径的室外所以，第二，较大口径的室外管道当采取分段试压时，如果按管道当采取分段试压时，如果按照照“平衡平衡”固定支架设计，应设固定支架设计，应设置临时止推支座置临时止推支座, , 以防试压时损以防试压时损坏。坏。 对于一般室内管道，则宜均按对于一般室内管道，则宜均按照照“受力受力”固定支架设计。固定支架设计。 所以，第三，北京市建筑设计研究所以，第三，北京市建筑设计研究院建筑设备专业技术措施院建筑设备专业技术措施12.8.312.8.3条规定：条规定： D100mmD100mm的弯管补偿器，的弯管补偿器， D50mm D50mm的波纹管或套筒补偿器，要进行固定的波纹管或套筒补偿器，要进行固定支架生根结构的强度验算。支架生根结构的强度验算。 4.4.其他问题：其他问题：1) 1) 由于水压试验压力大于工作压力（例由于水压试验压力大于工作压力（例如如1.51.5倍），而活动支架摩擦反力和补偿倍），而活动支架摩擦反力和补偿器弹性反力只在热态运行时发生，波纹补器弹性反力只在热态运行时发生，波纹补偿器偿器计算固定支架受力也可只按照冷态水计算固定支架受力也可只按照冷态水压试验压力，压试验压力，而不计算活动支架摩擦反力而不计算活动支架摩擦反力和补偿器弹性反力。和补偿器弹性反力。2) 2) 由于直埋敷设管道应以管道由于直埋敷设管道应以管道保温层与土壤之间的轴向摩擦反保温层与土壤之间的轴向摩擦反力，取代力，取代“活动支架的摩擦反力活动支架的摩擦反力”，而，而管道保温层与土壤之间的管道保温层与土壤之间的轴向摩擦反力较大轴向摩擦反力较大，波纹补偿器，波纹补偿器宜成对布置，以使对固定支架两宜成对布置，以使对固定支架两侧的作用力相近。侧的作用力相近。3) 3) 室内垂直管道上的波纹室内垂直管道上的波纹补偿器，宜布置在两个固定补偿器，宜布置在两个固定支架之间的支架之间的上端上端，可以减小，可以减小内压和固定支架的受力。内压和固定支架的受力。4) 4) 不要过多地设置补偿器。钢管线膨胀不要过多地设置补偿器。钢管线膨胀系数为系数为0.012 mm/m K0.012 mm/m K，水平干管或总水平干管或总立管保证分支管接点处的最大位移立管保证分支管接点处的最大位移40mm40mm，中间固定、，中间固定、不设补偿器的直段长度，一不设补偿器的直段长度，一般散热器采暖系统，可达般散热器采暖系统，可达60m60m以上，空调以上，空调水、地面辐射或冷却水系统更可达水、地面辐射或冷却水系统更可达100m100m以以上。上。 5 5）为增加安全度，应细化干管与分）为增加安全度，应细化干管与分支管支管接点处接点处的构造设计，例如：分的构造设计，例如：分支管用不少于两个弯头与干管连接支管用不少于两个弯头与干管连接等。等。 6 6）有条件时，尽量采用弯曲管段自）有条件时，尽量采用弯曲管段自然补偿，并优先采用弯管补偿器。然补偿，并优先采用弯管补偿器。