非金属波纹管补偿器具有结构紧凑、补偿量大、流动阻力小、零泄漏、不用维修等诸多优点,但它也有不易解决的缺点,例如轴向型波纹管补偿器对固定支座产生压力推力,造成固定支座推力大;波纹管补偿器管壁较薄,不能承受扭力、振动,安全性差;设备造价较高,设计要求严,施工安装要求精度高,往往达不到预期寿命。轴向型波纹管补偿器存在的这些缺点,易导致施工与运行期间发生事故。
1、布置位置的影响
按照通常做法,轴向型波纹管补偿器均布置在紧靠固定支座旁,然后紧接两个导向支架,距离分别为4倍、14倍公称直径,主要目的是防止波纹管补偿器轴向失稳。蒸汽直埋管道靠保温材料及外套钢管进行支撑或导向;热水直埋管道主要靠与保温材料形成整体,由土壤、砂层控制。这种布置方式出发点是好的,却在实际运用中受地形、架空管系支架过多的限制,布置困难;直埋管系地下障碍物过多,可能有过多翻弯产生,要求波纹管补偿器只能布置在直管段,这种在固定支座侧设补偿器的形式,可能会因管道位移造成波纹管补偿器每个波吸收位移的工作能力传递不均,发挥的补偿能力不充分。
解决波纹管补偿器轴向失稳问题除与布置位置有关外,更主要的是取决于补偿器自身的性能与质量,只布置在固定支座侧的补偿器性能与质量要求应更高一些,管道分段距离一般应小一些。选型时一定要选自导向性好、抗失稳能力强的补偿器,设计布置按照基本原则,根据工程的实际情况,灵活对待处理。实践情况证明,无论是架空、管沟还是直埋敷设,只要做好导向结构控制,波纹管补偿器可以设置在两固定支座的任一位置。
2、相邻直埋补偿器之间不设固定点的影响
在直埋管道管系中,为减少固定支座的数量,往往布置成“驻点”形式。直埋管道两个规格型号相同的相邻补偿器之间管道中点不设固定点,当管道受热均匀膨胀时,在两个补偿器中间必然形成一个力的相对平衡点,即驻点。理论上以该点为界,管道向左右两个方向均匀膨胀,一般认为,力的平衡点会因管道受力不均匀而发生少许偏移,一般按20%余量进行考虑。
某段直埋管道(φ630*10)采用这种布置方式,固定支座之间距离为206m,两只补偿器规格型号完全相同,补偿量均为150mm。在2008年热网运行中,其同侧两个补偿器相继发生故障,拆解后发现,一个补偿器已被压扁,压缩量200mm,另一个不仅未起到补偿压缩作用,反而被拉长50mm,一个补偿器伸长对另一个补偿器造成过度压缩,从而使两个补偿器均发生破坏失效。
造成这种情况的原因较为复杂:一是补偿器自身质量偏差较大,虽型号规格相同但刚度差距大,无法自由伸缩;二是受管材加工制作质量与安装质量影响,无法自由伸缩,驻点两侧管道受力不均,造成驻点偏移大,驻点不固定,使波纹管补偿器无法承受,最终造成破坏。除非对非金属补偿器自身作较大改进,保证波纹间均布限位使波纹管补偿器刚度均衡趋于一致,否则采用普通补偿器条件下,还应按照每两个固定支座之间只设一个补偿器的原则进行布置。
3、施工现场变更的影响
由于种种原因,热力管网的现场施工情况与设计往往出入很大,不得不做大量的实际设计变更,对自然补偿管道只要处理适当不会产生很大影响,但对采用轴向波纹管补偿器的管道影响非常大,不少施工单位对此没有充分认识。某些固定支座在管道改变走向后,原来不承受压力推力改为承受压力推力或者产生较大弯矩,导向支架受力结构形式发生重大变化,处置不当很容易推坏固定支座,导致事故发生。
由于施工单位专业化程度较低,主要靠设计单位对施工的热网布置整体性进行控制。在管道变更较大情况下,应特别注意管道的受力形式是否符合补偿器布置基本原则,通过合理分段,保证管道呈直线,控制拐点产生,减少作用于固定支座与导向支架的弯矩及侧向推力,进而保证管系安全合理。这对于设计人员最为重要,除了不断积累经验外,一定要形成明确的设计思路,才能提高设计补偿器管系的水平。
4、设计中预先考虑水压试验方案
某热力管道采用轴向型波纹管补偿器,施工单位采用分段打压试验,自行选定分段点设临时盲板,盲板力没有作用在主固定支座上,而是作用在次固定支座上。按试验压力升压时,次固定支座被拉坏。在分段打压时,分段点应选择可承受水压试验压力的主固定支座,无法做到这一点时,应对分段点承受盲板力的次固定支座进行临时加固,使其能够承受盲板力。由于主次固定支座承受的推力相差太大,临时加固的办法很难实施,因此最好的办法是设计中预先考虑水压试验或吹扫方案,分段点的位置最好由业主、设计、施工单位共同确定,由设计单位负责技术交底,业主方根据设计单位意见组织实施。安装时要注意保证导流套筒的方向与流动方向一致。补偿器安装完毕进行系统水压试验前,要将管道两端固定,防止内压推力拉伸补偿器。
5、安装对轴向波纹管补偿器的影响
波纹管补偿器由一个或多个波纹管串接在一起,波纹管外有可使波纹管轴向移动的外套筒,既是保护装置,又保持了波纹管的稳定性。由于轴向波纹管补偿器布置形式不合理或设计不当,施工安装中很容易出现偏差,造成受力方向主要不是轴向力,这易对补偿器产生一定的扭矩。对于轴向波纹管补偿器,管壁较薄,抗扭矩能力差,极易失稳。因此施工中为保证补偿器的同轴度公差最小,建议在安装补偿器前先将管段敷设好,然后在准备安装补偿器处将管子割下一段(其长度等于补偿器的自由长度加预拉伸量),再焊接补偿器,即采用割管法安装。虽然造成少量管子消耗,却能保证管道同心度。
非金属波纹补偿器之所以能够在供热行业中得到广泛应用,除具有良好的补偿能力之外,高可靠性是主要原因。其可靠性是通过设计、制造、安装、运行管理等多个环节来保证的,任何一个环节的失控都会导致补偿器寿命的降低甚至失效。造成波纹管补偿器失效的原因:设计占10%,制造厂家偷工减料占50%,安装不符合设备说明要求占20%,其余由运行管理不当引起。建议广大设计人员应加强调查研究,互相交流学习,总结经验,吸取教训,加强协作,在进行管网设计、补偿器选型计算和布置、组织施工等方面,掌握原则,正确运用,做到管网安全、经济、合理,杜绝安全事故产生。