供热管道的热伸长及其补偿

　　供热管道安装投运后，由于管道被热媒加热引起管道受热伸长。管道受热的自由伸长量，可按下式计算：




如前所述，在供热管网中设置固定支架，并在固定支架之间设置各种形式的补偿器，如自然补偿器、套管式、波纹管、方形或球形补偿器等，其目的在于补偿该管段的热伸长，从而减弱或消除因热胀冷缩力所产生的应力 。
　　下面就几种补偿器的受力分析和应力验算问题，予以简要的介绍。


一、方形补偿器
　　方形补偿器是应用很普遍的供热管道补偿器。进行管道的强度计算时，通常需要确定：
　　 1．方形补偿器所补偿的伸长量
　　 2．选择方形补偿器的形式和几何尺寸；
　　 3．根据方形补偿器的几何尺寸和热伸长量，进行应力验算。
　　验算最不利断面上的应力不超过规定的许用应力范围，并计算方形补偿器的弹性力，从而确定对固定支座产生的水平推力的大小。
　　根据《技术规定》，管道由热胀、冷缩和其它位移受约束而产生的热胀二次应力，不得大于按下式计算的许用应力值。



　　验算补偿器应力时，采用较高的许用应力值，是基于热膨胀应力属于二次应力范畴。利用上述应力分类法，充分考虑发挥结构的承载能力.

图15-3 光滑弯管方形补偿器计算图


二、自然补偿管段
　　常见的自然补偿管段的形式有：L型，Z型和直角弯的自然补偿管段．它的受力和热伸长后的变形示意图可见图15-4所示：

图15-4 常见的自然补偿管段的受力及变形示意图 (a)L型自然补偿管段；(b)直角弯自然补偿管段；(c)Z型自然补偿管段Lch——长臂；LD——短臂；L——中间臂


　　在自然补偿管段受热变形时，与方形补偿器的不同点，在于直管段都分有横向位移，因而作用在固定支点上有两个方向的弹性力（ Px和Py，见图15-4）．此外，一切自然补偿管段理论计算公式，都是基于管路可以自由横向位移的假设条件计算得出的．但实际上，由于存在着活动支座，它妨碍着管路的横向位移，而使管路的应力会大．因此，采用自然补偿管段补偿热伸长时，其各臂长度不宜采用过大数值，其自由臂长不宜大30m．同时，短臂过短（或长臂与短臂之比过大），短臂固定支座的应力会超过许用应力值．通常在设计手册中，常给出限定短臂的最短长度．


三、套筒（管）式补偿器
　　套筒补偿器应设置在直线管段上，以补偿两个固定支座之间管道的热伸长套筒补偿器的最大补偿量，可从产品样本上查出。考虑到管道安装后可能达到的最低温度，会低于补偿器安装时的温度，补偿器产生冷缩。因此，两个固定支座之间被补偿管段的长度，应有下式计算确定：



　　套筒补偿器伸缩过程中的摩擦力，理论上应分别按拉紧螺栓产生的摩擦力或由内压力产生的摩擦力两种情况进行计算。算出其数值后取较大值，但往往缺乏基础数据，工程实际中摩擦力由产品样本提供。


四、波纹管补偿器
　　波纹管补偿器按补偿方式区分，有轴向、横向及铰接等型式。在供热管道上轴向补偿器应用最广，用以补偿直线管段的热伸长量。轴向补偿器的最大补偿能力，同样可从产品样本上查出选用。
　　轴向波纹管补偿器受热膨胀时，由于位移产生弹性力，可按下式计算：








为使轴向波纹管补偿器严格按管线轴线热胀或冷缩，补偿器应靠近一个固定支座（架）设置，并设置导向支座，导向支座宜采用整体箍住管子的型式，以控制横向位移和防止管子纵向变形。