解決供熱管道熱脹冷縮問題的方法有多種,如管道預熱安裝、彎頭自然張力補償、補償器等,但所有方法的目的只有一個:使管道在材料允許的應力范圍安全運行。在直埋管道中,彎頭自然張力補償應用非常有限,補償器可最有效的降低管道運行時的應力,但同時補償器也成為熱力管道安全最薄弱的環節。普通的管道預熱安裝成本低,管道安全性高,但安裝時受到的限制因素很多,如必須全線敞溝預熱,管道加熱困難,及作業時間緊促等。一次性補償器是結合補償器和管道預熱安裝的優點而產生的。
1、一次性補償器結構
一次性補償器的結構如圖所示,其伸縮元件因只使用一次,且預熱時介質壓力較低,所以波紋管可以有很大的壓縮量,這使得它同普通補償器相比可大大降低造價。一次性補償器外套管在管道運行中將會承受介質壓力,因此其壁厚不應小于同等直徑標準管道壁厚。因整個補償器外殼所承受的應力較大,所以加強筋較多。在一次性補償器吸收管道伸長量后將二次焊口密封焊接牢固,由于二次焊口受剪切應力,推薦采用兩層三遍焊接,如圖所示。
2、一次性補償器的安裝
如圖所示,安裝一次性補償器的管段應與其他管段用固定墩隔開,以確保吸收定長管道預熱伸長量。為確保其精確,可在預熱前計算定長管道理論伸長量,然后在各一次性補償器上作出標記,使各個一次性補償器壓縮量之和等于定長管道的計算伸長量,待預熱伸長到位時,將補償器二次焊口焊接固定。管道在運行中不再有伸縮運動,其溫度變化引起的管道長度伸縮將轉化為管道的內應力。
一般常用的一次性直埋波紋補償器結構簡圖
3、一次性補償器工作原理
管道安裝一次性補償器后,管道被固定,其長度不再變化,其溫度變化將引起管道內應力的變化。安裝時,管道的應力為零;溫度升高后,管道受壓應力;溫度降低時,管道受拉應力。其應力值為:
式中:σ—管道運行時的應力 MPa
E — 材料彈性模量 MPa
L — 管道定長 m
ΔX — 定長管道伸縮量 m
ΔX = α·L·(t2 — t1)
式中:α — 管道材料線膨脹系數 1 / ℃
t1 — 管道應力為零時的溫度 ℃
t2 — 管道運行時的溫度 ℃
則管道應力
σ = E ·α·(t2 — t1)
由公式可以得出:管道運行時的應力與其溫度變化量成正比,當管道運行溫度t2大于管道零應力溫度t1時,應力為正值,管道受壓應力;當管道運行溫度t2小于管道零應力溫度t1時,應力為負值,管道受拉應力。
將公式變換為:
t2 — t1 = σ / E ·α
由于管道應力值應小于材料的許用應力,即 σ<[σ]
則有:
t2 — t1 ≤ [σ] / E ·α = Δt
公式右邊均為管道材料的固有性能,因此可以得出:預熱管道的溫度升高或降低必須小于某一值,否則管道應力會大于材料的許用應力而使管道破壞。即管道運行的溫度范圍為:
t1 — Δt ≤ t ≤ t1 + Δt
當管道材質為20# 時 ,Δt = [σ] / E ·α≈ 60 ℃ 。一般管道運行起始溫度設定為 0 ℃(直埋管道冬季停止供熱時)。因此可以得出直埋預熱管道在預熱溫度為60℃時運行溫度范圍最大,為 120℃ ,即管道運行中在低于60℃時為拉應力狀態,0℃時拉應力最大,絕對值為[σ] ;管道等于60℃時為零應力狀態;管道大于60℃時為壓應力狀態,120℃時壓應力最大,絕對值為[σ] 。管道總應力范圍為2[σ]。
由上可以看出,預熱安裝一次性補償器的管道在運行中其應力并不會減小(這一點與普通補償器不同,普通補償器可以很大限度的減小管道應力),只是我們通過預熱安裝一次性補償器,可以方便地將管道的零應力溫度調到最佳值,使管道運行溫度范圍最大,且其應力始終在安全的材料許用應力范圍內,最大限度的發揮材料的性能。
4、預熱安裝一次性補償器的優越性
(1) 管道施工預熱較方便,管線可部分回填;
(2) 一次性補償器價格較低,可有效的降低工程造價;
(3) 一次性補償器安裝完畢后其強度與管道相同,可大大提高管道的安全性;
(4) 二次焊口焊接后完全密封,可有效解決波紋管受地下水腐蝕問題,這一點對地下水腐蝕性強的地區尤為重要。