补偿器及在空调水管道的合理设置

补偿器又称为伸缩器或伸缩节、膨胀节，主要用于补偿管道受温度变化而产生的热胀冷缩。如果温度变化时管道不能完全自由地膨胀或收缩，管道中将产生热应力。在管道设计中必须考虑这种应力，否则它可能导致管道的破裂，影响正常生产的进行。作为管道工程的一个重要组成部分，补偿器在保证管道长期正常运行方面发挥着重要的作用。

管道补偿器的种类主要有弯管式膨胀接头、波纹管式膨胀接头、填料函式膨胀接头、整体式膨胀接头四种。

管道补偿器作用：

1. 补偿吸收管道轴向、横向、角向热变形。

2.   波纹补偿器 伸缩量，方便阀门管道的安装与拆卸。

3. 吸收设备振动，减少设备振动对管道的影响。

4. 吸收地震、地陷对管道的变形量。

弯管式膨胀接头：

弯管式膨胀接头是一种最简单的补偿形式，利用管子本身的弯曲，使管子的挠性增加，以补偿管路的应力。它可以由管子弯制而成。根据它的制造方法可分为光滑式，如图(a)、(b)、(c)；折皱式，如图（d）；波纹式，如图（e）。

上图中前四种主要用于线膨胀的补偿，第五种可用于角补偿。(a)、(b)型多用于高温高压蒸汽管路中（一般温度t＞400℃，压力p＞3MPa）；(c)型用于变形较小的管路中；（d）型应用于介于上述两者间的蒸汽管路中（温度t＜400℃，压力p＜3MPa）；（e）型可以作为角补偿的形式使用。

波纹管式膨胀接头：

波纹管式膨胀接头按材料分有不锈钢、紫铜和橡胶三种。

下图所示的为不锈钢波纹管式膨胀接头的形状和结构。一般由波纹管，法兰、导管和定位螺杆等组成。它在管路中可起到位移补偿和吸收振动的作用。

膨胀接头的定位螺杆为保证其在运输和安装过程中不产生变形之用。用定位螺杆固定的波纹管为自由状态或已根据用户要求进行预变形。管路安装完毕后才能用拧松螺母的方法拆除定位螺杆（绝对不能使用气割方法），恢复其伸缩性能。

单式轴向型波纹管：

由一个波纹管及结构件组成，主要用于吸收轴向位移而不能承受压力推力的波纹波偿器。

这种形式补偿器也可以用于吸收在管段上的三种基本位移，即轴向、径向和角向位移，但主要是轴向位移。

单式铰链型波纹补偿器：

由一个波纹管及销轴、铰链板和立板等结构件组成，只能吸收一个平面内的 角位移 并能承受波纹管压力推力的补偿器。

铰链型波纹补偿器只能以两个或三个组合在一起使用才能恰当的发挥作用。

单式万向铰链型波纹补偿器：

由一个波纹管及销轴、铰链板、万向环和立板等结构件组成，能吸收任一平面内的角位移并能承受波纹管压力推力的波纹补偿器。如图所示：

复式自由型波纹补偿器：

由端管和中间管所连接的两个波纹管及结构件组成，主要用于吸收轴向与横向组合位移而不能承受波纹管压力推力的补偿器，这种补偿器也能吸收角位移。如图所示：

复式拉杆型波纹补偿器：

由端管和中间管所连接的两个波纹管及拉杆、端板和球面与锥面垫圈等结构件组成，能吸收任一平面内的横向位移并能承受波纹管压力推力的膨胀节。如图所示：

铰链型波纹管膨胀节：

铰链型波纹管膨胀节习惯上也叫伸缩节，由构成其工作主体的波纹管（一种弹性元件）和端管、支架、法兰、导管等附件组成。通过销轴的连接使得它能够实现单个平面内的角向位移，两个配对使用的话就能实现管道的横向位移。

如图所示的双铰链膨胀节通常用于管道系统穿越车道或者铁路线时，往往是由管道桥或者格架支撑。铰链被设计应用于支撑两个膨胀节间中间接管和系统中所产生的压力推力。铰链式膨胀节可以冷紧，这大大加强了膨胀节自身的位移能力。补偿力通常是较小的，因此管道桥上的符合便可以达到最小。

填料函式膨胀接头：

填料函式膨胀接头主要由本体1、填料座2、填料3、 双头螺柱 4、压盖5、螺母6和伸缩筒7组成，如图1-36所示。伸缩筒7可以在本体内沿轴向移动，起到补偿作用。为了使伸缩筒7移动时保持密性，在伸缩筒7与本体1之间设有填料函，由填料座和填料组成，填料依靠压盖、螺栓和螺母来压紧。

填料函式膨胀接头的本体可以是焊接件，也可以是铸件。这种形式接头的特点是构造紧凑，具有相当大的补偿能力，伸缩筒的伸缩量为+40mm，-100mm；通径可达到450mm或更大。适用于工作压力低于1.6MPa，温度t≤205℃的蒸汽管路，也可以用于海水、淡水和油类管路。广泛用于油船的货油管系。

螺母式 伸缩接头 的伸缩量一般为60mm；短型的压盖式伸缩接头的伸缩量：当DN≤250时为30mm，当300≤DN≤700时为50mm，当800 ≤DN≤2400时为90mm；长型压盖式伸缩接头的伸缩量为上述伸缩量加60mm，但最大通径可达3200mm；法兰式伸缩接头的伸缩量：当DN≤250时为50mm，当300 ≤DN≤700时为65mm，当800≤DN≤2400时为130mm，DN≥2600时，为140mm。

空调水管道补偿器的合理设置 ^[1] ：

[1] ：节选自：《空调水管道补偿器的合理设置》，作者：黄洪宇。

1  补偿量的计算和合理的设置补偿器

《通风与空调工程施工规范》GB50738-2011中规定“补偿器的补偿量和安装位置应满足设计及产品技术文件的要求”。但在工程实际的施工图中，往往缺少补偿器的具体补偿量及预拉伸的要求，并且固定支架的构造根本没有详图，只有大概的位置，造成施工单位在安装补偿器时缺少依据，安装不规范，从而发生质量问题。下面通过计算与分析并结合工程实际，就空调水管道补偿器的合理设置提出以下，供大家参考。

1.1  补偿量的计算

管道受热伸长量计算式为：ΔL=Lα（t2-t1）

式中：ΔL—管道的热伸长量；L—管道计算长度；α—管材线胀系数，mm/m·℃，钢材线胀系数为0.012mm/m·℃；t2—管道内介质最高温度；t1—安装时环境温度。例如：100m空调水管道最低温度7℃，最高温度60℃，安装时环境温度30℃，则供热工况时管道的热伸长量为：ΔL=10 0×0.012×（60-30）=36mm

供冷工况时管道的收缩量为：ΔL=100×0.012×（30-7）=27.6mm

可以看出，空调水管道在不同工况下温度变化时有伸长也有收缩，因此补偿器的设置应同时考虑空调水管道的伸长量和收缩量。

1.2  空调水管道补偿器的设置

补偿器有很多种类，通常空调水系统应用最多的为波纹管补偿器，以下针对波纹管补偿器在施工中的应用进行分析。

1.2.1  水平管道上补偿器的设置

如何合理设置补偿器，如上例中管道是否需要设置补偿器呢，笔者认为应根据管道布置的具体情况而定，水平安装的管道应尽量考虑给管道自由伸缩的空间，即使管道有热伸长，如果不受到支架或结构的阻碍，是不会产生应力的，此时不需设置补偿器。如图1所示的管道：

如图1所示管道布置的形式，管道即使很长，只要固定支架以后全部安装 导向支架 ，管道的热伸长量全部向末端延伸，因此一般情况下不需要设置补偿器。

图2所示管道布置的形式，固定支架两侧全部采用导向支架，管道的热伸长量向两侧延伸，也无需设置补偿器。

第三种情况比较复杂，如图3所示，一段较长的干管两端拐弯，则需具体分析，第一种情况：若拐弯后一侧安装活动支架，另一侧为固定支架，则可按图3-1的情况处理，管段A全部设置导向支架，使管段的热伸长量向活动端延伸，从而不需安装补偿器。第二种情况：若管段两侧拐弯后都安装活动支架，可按图3-2所示，在管段A中部设固定支架，使管段A的热伸长量向两端延伸，不需安装补偿器；第三种情况：若管道A两侧拐弯后都无法安装活动支架或拐弯后管段B和管段C的长度不足以提供补充量，则管段A中部应设置补偿器，补偿热伸长量，补偿器两侧设导向支架。

1.2.2  垂直管道的补偿器设置

垂直管道上补偿器的设置需充分考虑管道承重支架的承重能力，由于垂直管道支架的承重方向沿管道轴向方向，因此管道热伸长后会影响支架的承重（见图4）。由图中可以看出，即使管道只有1mm的热伸长量，也会使上部的承重支架失去作用，管道的重量都会集中在下部的承重支架上，从而影响管道的安全性。因此垂直管道采用自然补偿时只能设置一个承重固定支架，其余支架全部为导向支架。这就要求承重支架有足够的承重能力，在管井的有限空间内安装大型的支架必定受到限制，且建筑结构的承重能力也会成为制约因素。通常垂直管道长度不超过50m时，可采用自然补偿，设一个固定支架，其余支架为导向支架，如图5示意。特别注意，垂直管道的固定承重支架宜设在管段的下部，因为通常空调系统水管道主管在地下室，水平主管受支架的限制不能承担立管热伸长的自然补偿，因此垂直管段的自然补偿伸长方向应自下向上。

当垂直管段长度超过50m时，不宜采用自然补偿方式，应在管段中部安装补偿器，以保证垂直管道的支架体系受力均匀。补偿器设置方式如图6所示。

2  补偿器的预拉伸

《通风与空调工程施工质量验收规范》规定：“补偿器的补偿量和安装位置必须符合设计及产品技术文件的要求，并应根据设计计算的补偿量进行预拉伸或预压缩。”那么补偿器是应该预拉伸还是预压缩，与产品类型，补偿量，管道工作温度，安装时的环境温度有关，需要具体情况具体分析，下面以波纹管补偿器安装工程实例为例，分析预拉伸（预压缩）量。

某工程空调水系统，两管制，冬夏切换。地下一层冷热水供水水平管道上设有一波纹补偿器，管道长度为65m，冷冻水供回水温度7℃/12℃，空调热水供回水温度60℃/ 55℃。安装时气温15℃。钢材的线胀系数α=0.012mm/m·℃。

由上例分析，管道冬季供热，夏季供冷，则冬夏对比管道的热伸长量为：

ΔL=Lα（t2-t1）= 65×0.012×（60-7）=41.34mm

上式计算结果41.34mm 即为波纹管补偿器的补偿量，预拉伸（预压缩）量通常为补偿量的二分之一，预拉伸（预压缩）量为：41.34/2=20.67mm。

由于安装时管道的温度为15℃，管道长度比最低温度7℃时要长，其差为：

ΔL’=Lα（t2’-t1）=65×0.012×（15-7）=6.24mm

由于ΔL’＜ΔL/2，所以补偿器应进行预拉伸，预拉伸值为：

ΔL/2-ΔL’=20.67-6.24=14.43mm

若管道安装时温度为35℃，则：

ΔL’=Lα（t2’-t1）=65×0.012×（35-7）=21.84mm＞ΔL/2，

则补偿器应进行预压缩，预压缩值为：ΔL’-ΔL/2=21.84-20.67=1.17mm。

补偿器预拉伸目的是使补偿器在正反双方向上补偿能力一致，避免出现工作中拉伸（压缩）过度产生波纹管塑性变形，增加疲劳次数，降低使用寿命。波纹补偿器的预压或预拉应当在平地上进行。逐渐增加作用力保证各波节的圆周面受力均匀，拉伸或压缩量的偏差应小于5mm。当拉伸或压缩到要求数位时应当安装固定，波形补偿器必须与管道保持同心，不得偏斜。

3  内压推力对补偿器和支架的影响

补偿器安装需要设置固定支架，其目的是克服压力管道在补偿器处产生的内压推力。活动支架的水平摩擦反力和补偿器及弯管的弹性反力，由于空调水管道温差不大，热变形量小于热力管道，所以活动支架的水平摩擦反力和补偿器及弯管的弹性反力相对较小，影响最大的为内压推力。其数值占到轴向合力的80%以上，所以空调水管道固定支架的受力计算主要考虑内压推力，内压推力的大小通过下式计算：

式中：F—内压推力；P—管道工作压力（或试验压力）；D—管道内径。

以直径300mm，工作压力为1.0MPa的管道为例，在其补偿器处的内压推力为：

F=P×πD2/4=1×106×3.14×0.32/4=7.065×104N

由此可见，内压推力数值较大，郭鹏学暖通越大的管道推力越大，尤其在管道水压试验过程中，由于试验压力为工作压力的1.5倍，内压推力也将是正常工作下的1.5倍。工程中常见数根管道成排布置，补偿器设置于同一位置，此时固定支架承受的水平推力是一个很大的数值，如果固定支架不够牢固，会造成补偿器过度变形损坏和管道支架体系整体变形。图7展示了某管段在水压试验过程中补偿器一侧固定支架损坏变形情况。

由此可见固定支架的重要性，尤其是管排共用支架时，支架形式和规格需要根据计算结果选型，并应由设计人员确认。

如果在造价允许的情况下，可选用内外压平衡式补偿器（图8），具有吸收内压推力的能力，具有良好的导向性、产品刚度小、外形尺寸小等特点。

4  正确安装补偿器

补偿器安装时支架的安装非常重要，应注意安装补偿器的管段必须有两个固定支架，固定支架应能够承受管段的内压推力。除固定支架外，其他支架应为导向支架，并应在距补偿器4D和14D处设置导向支架，防止补偿器径向变形扭曲。正确设置支架如图9所示。

关于固定支架的形式，应根据内压推力的计算结果选用合适的型钢，并请设计人员复核安装支架部位的结构受力能力。图10和图11所示为某工程施工中在结构梁上设置固定支架的做法，供读者参考。

5  结束语

为避免补偿器安装带来的质量问题，应做好以下几个方面工作：

5.1  认真审阅图纸，分析设置补偿器的合理性，尽量采用自然补偿解决和消除管道的热膨胀应力。可减少管道的薄弱环节，减少支架型钢的用量，管道系统更安全。

5.2  在必须设置补偿器时，应详细计算管道的热伸长量，合理选择补偿器的补偿量，并根据安装时的温度计算预变形量，安装前进行预变形。

5.3  安装补偿器的管段上应设置足够强度的固定支架，以克服内压推力造成的影响，支架选型应通过计算，并经过设计人员复核确认。

5.4  大型管段和管排如需设置补偿器，在造价允许的情况下，尽量选用内外压平衡式补偿器，虽然价格会高出很多，但管道系统的安全性得到提升，减少了固定支架制作安装的费用。

常见安装、运行、检测、维护问题罗列及分析：

一、安装存在的问题

① 焊接或法兰连接施工不到位，连接部位渗水，压力试验不合格。

② 补偿器安装后，波纹伸缩管部分有明显变形。

③ 补偿器就近的支架未按设计要求施工；补偿器两端管道中心线不同心。

二、运行存在的问题

① 波纹补偿器漏水。

② 波纹补偿器在管道充水，加压运行后变形。

三、检测、维护

①  熟悉系统中补偿器的安装位置，在系统初运行中，密切关注补偿器与管道连接 部位及波纹伸缩段是否有异常情况。

②  清理补偿器外表面，刷防腐漆，防止锈蚀现象。