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摘要：文中介绍了热水系统管道补偿器的几种主要型式及特点，重点论述了大型酒店热水管道设计波纹补偿器的选型与设置方式、设置波纹补偿器时管道的管架设计要求，以及波纹补偿器的安装使用注意事项。
关键词：热水管道；补偿；波纹补偿器；管架
1前言
随着社会经济的发展及人民生活水平的提高，大型酒店工程已广泛在全国各地随之出现，为保证大型酒店使用功能及舒适度的要求，相应配备各种形式机电系统，本文着重阐述其中热水系统中常用的波纹管补偿器设计选型及布置原则。本文根据项目设计实例，就波纹补偿器的选型与布置方式、设置波纹补偿器时管道的管架设计，以及波纹补偿器的安装使用注意事项等做了较详尽的分析和总结。
2波纹补偿器的应用分析
热水系统输送热水时，随着水温的变化及环境温度的变化，管道会出现热胀冷缩现象，尤其在冬季环境温度与设计热水温度偏差较大时，这种现象尤为明显。初次送热水时，原受力均衡管道随着水温升高而热胀很明显，如果这个热胀不能得到有效的补偿，热水管道会受到巨大的应力，管道会变形甚至破裂，为保证热水系统的稳定和安全运行，热水系统的管道应在合理的位置设置热补偿装置。
在热水管道工程设计中，热水系统大部分管路（尤其房间内的支管）多会考虑管道空间立体转弯的自然补偿解决管道热伸长，自然补偿只能满足管道系统中局部管段的热补偿要求，无法满足所有管段的热补偿要求，如大型酒店及写字楼的换热站、锅炉房及热水系统的主干管道（多设置在地下室）一般管径较大，直线段一般较长，自补偿无法满足管段的热补偿要求，需增设补偿器。所以管径较大及直线管段过长的管道，一般设计时需考虑增设补偿装置。
波纹补偿器属于一种补偿元件。利用其工作主体波纹管的有效伸缩变形，以吸收管线、导管、容器等由热胀冷缩等原因而产生的尺寸变化，或补偿管线、导管、容器等的轴向、横向和角向位移，也可用于降噪减振。
按波纹管位移型式，可分为轴向型、横向型、角向型及压力平衡型几种。目前国内生产厂家一般是依据《金属波纹管膨胀节通用技术条件》（GB/T12777-1999）来分类的，产品类型主要有单项轴向型、外压单项轴向型、单式铰链型、单式万向铰链型、复式铰链型、复式万向铰链型、复式自由型、复式拉杆型、直管压力平衡型和弯管压力平衡型等几种。
按是否能吸收管道内介质压力所产生的压力推力，可分为无约束型和有约束型。其中，单项轴向型、外压单项轴向型及复式自由型为无约束型；单式铰链型、单式万向铰链型、复式铰链型、复式万向铰链型、复式拉杆型、直管压力平衡型和弯管压力平衡型为约束型。
遵循安全、合理、可靠、经济的原则，热水系统管道多采用轴向型波纹补偿器。
3波纹补偿器的选型原则
热水系统管道设计时，波纹补偿器选型应考虑以下几个问题：
（1）管道的管径及连接型式；
（2）系统的设计工作压力；
（3）设计热水系统的供、回水温度；
（4）热水产生的压力推力（盲板力）；
（5）选用波纹补偿器的材质；
（6）波纹补偿器的疲劳寿命；
（7）选择波纹补偿器吸收位移的形式。
明确上述条件后，结合各生产厂家提供样板中的各项参数，选择补偿器的型号。一般生产厂家样本资料中所列各参数是在20℃情况下计算得出的，设计选型时应按补偿器的实际使用温度，根据生产厂家样本资料中提供的系数，对补偿量及刚度实施修正，以确定补偿器的实际补偿量和刚度。另外，生产厂家样本资料中给出了补偿器在诸疲劳破坏次数下的补偿量，设计选型时可根据产品工作的环境与使用寿命来选择不同疲劳次数下的补偿量。若实际选用的疲劳次数与样本给出的疲劳次数不服时，应按厂家提供的样本中的修正系数对补偿量进行修正。
4波纹补偿器的设计布置原则
采用热水供应系统的建筑物一般都比较庞大，系统管路设计复杂。多采用市政高温热水为热媒，经热交换站换热后循环供应热水。首先将这些复杂的管系通过分区设置分成若干子系统，再通过设置管道固定支架，将其分成苦干相对简单的管段，如：直线型、Z型、L型管段等。再根据这些相对简单的管段来确定管道的变形补偿，按轴向、横向和角向的补偿要求来设置相应的补偿器。
以下是几种典型管段的波纹补偿器设置：
4.1直管段中设置波纹补偿器
由于直管段在热膨胀时只有轴向位移，可以选用轴向型波纹补偿器如图1所示（在直管段的两个固定管架之间，只能设置一个轴向型波纹补偿器）。
图1轴向型波纹补偿器布置图
4.2L型管段中设置波纹补偿器
对于L型管段可选用横向型补偿器来吸收管道的横向位移。两个固定管架之间，只允许安装一个横向型补偿器，如图2所示。
图2L型管段补偿器布置图
4.3Z型管段中设置波纹补偿器；如图3所示：
对于Z型管段波纹补偿器安装在呈90°的Z形管道的中间短管臂内以补偿两端长管线轴向位移。
图3Z型波纹补偿器布置图
5设置波纹补偿器时管道的管架设计
波纹补偿器利用其主体波纹管的有效伸缩变形，以吸收管道因热胀冷缩等原因产生的尺寸变化，或补偿管道的轴向、横向和角向位移；还可用于降噪减振。但是波纹补偿器如果安装不当，就不能发挥其优良的性能，还容易发生破坏。所以对设置波纹补偿器的管路，正确地进行管架设计和受力计算是很重要的。
5.1轴向型波纹补偿器一端应设置固定支架，另一端应设置导向支架，其目的是为了防止管道弯曲和径向偏移造成补偿器的破坏。第一个导向支架与补偿器间距为4D，第二个导向支架与第一个导向支架间距为14D。
5.2当管道补偿器距离长，运行时，管道的位移量大，为防止管道脱落，管道支座要足够长，安装时，可采用偏置安装。如图4所示：
图4支架偏置安装示意图
5.3固定支架的推力：
P=Pk+μGL
式中Pk—弹性力，kg；
μ—摩擦系数（钢对刚μ=0.3）
L—管长，m；
G—管重，kg/m。
当采用拘束型波纹补偿器，其弹性反力较小，则由管道自重产生的摩擦反力显得相对大，对于大口径管路来说，管道摩擦力在整个儿推力中占非常大的比例。
6工程实例
北京国际俱乐部扩建工程项目位于北京建国门及长安街的交汇处，为超五星级豪华饭店建筑，设计房间总数为258间，总共地上建筑层数为19层，地下为两层。
本工程设置集中热水供应系统，采用锅炉房提供高温热水为热媒，经B1层热交换站换热后循环供应热水。系统供水温度55℃，回水温度45℃；热水系统生活热水管采用TP2无缝硬态紫铜管及管件，连接形式为氧焊加银焊条，管道以设计工作压力长期使用在65°C以下可以承受的应力为63MPa。直线管段长度大于15m时需设置固定支架，固定支架设置的间距不得超过40m，2个固定支架之间必须设置波纹补偿器，固定支架其支撑力必须大于现场管道因温度变化引起的膨胀力；
6.1热水紫铜管的补偿器选用通用型波纹补偿器，计算及选型如下：
计算公式：X=a•L•△T；
X为管道膨胀量，a为线膨胀系数，L为补偿管线（所需补偿管道固定支座间的距离）长度，△T为温差（介质温度-安装时环境温度）
①铜管膨胀系数a取0.018mm/m.℃。
②现场施工伸缩节及管道安装温度取值为25℃。
③生活热水管道最高供水温度按65℃计，生活冷水管道最低供水温度按4℃计。
④L取值40m。
补偿量选型计算：
X=a•L•△T=0.018㎜/m.℃×40m×（65-25）=28.8mm；
根据以上计算，热水铜管直管段达到40米时需增设一个30mm补偿量的补偿器。
6.2补偿器安装时管架的设计安装：
以地下一层DN125热水供水管为例
（见图五）：
图5地下一层热水供水管
（1）固定支架安装在距离补偿器600mm处，第一个导向支架安装位于补偿器另一侧的4D处，及4×150mm=600mm处，第二个导向支架安装位于第一个导向支架的14D处，及14×150mm=2100mm处。
（2）固定支架的轴向受力：
固定支架的轴向推力P=Pk+μGL；
式中
Pk=ΔX•Kו10-1（kg）
①管道压缩变形量（即管道热伸长量mm）：ΔX=a•L•△T=0.018㎜/m.℃×36m×（65-25）=25.92mm；
②补偿器轴向整体刚度K×取230N/mm；
③摩擦系数μ取0.3；
④G=管重+水重=9.12+49.06=58.18（kg/m）
⑤管长L取36m；
即：固定支架的轴向推力
P=Pk+μGL=25.92mm×230N/mm×10-1+0.3×58.18kg/m×36m=1224.5kg
根据以上计算补偿器的固定支架轴向推力应按1.3吨考虑。
7波纹补偿器安装和试压的注意事项
7.1波纹补偿器安装前应检查补偿器的规格、型号是否符合设计要求。
7.2波纹补偿器安装前应根据设计要求（或通过补偿量计算的预拉伸量）做预拉伸（或压缩）变形。
7.3对带内套筒的补偿器应注意使内套筒子的方向与介质流动方向一致，铰链型补偿器的铰链转动平面应与位移转动平面一致。
7.4安装波纹补偿器时，预留安装波纹补偿器的距离应合适，两侧管道同心，不应采用补偿器来调整管道的安装偏差。
7.5安装完成的波纹补偿器不应受力，波纹补偿器上不允许设支架。
7.6法兰连接的补偿器，应将法兰焊接完成后再安装补偿器，不允许采用补偿器找位，临时固定补偿器后焊接管道上的法兰，避免焊渣飞溅到波纹补偿器表面和焊接温度过高损伤波纹补偿器。
7.7管道水压试验时，波纹补偿器上的预拉伸定位杆不能卸下，定位杆的前后螺母应上紧，固定波纹补偿器的长度（必要时应对管道做临时支架固定，使管路不发生移动）；待管道水压试验合格后，方可拆除补偿器的预览神定位杆。
7.8安装波纹补偿器的热水管道水压试验应采用合格的自来水（市政水）进行，严格控制水中氯离子含量不超过25PPm。
8结束语
集中热水供应系统是民用建筑中常见的一种管道系统，为保证热水供应系统安全稳定的运行，必须要考虑管道的热胀冷缩现象，但在设计时应优先考虑空间立体转弯时的管道自然补偿；经计算自然补偿无法满足管道上（尤其大口径的管道）的伸长量时就需增设补偿器。
根据所施工热水供应系统的要求和特点，计算长距离直管段热水管道的伸长量，选择合适的补偿器及合理的安装位置，并正确安装补偿器及设置固定支架；确保热水系统安全、稳定的运行。
参考文献：
[1]CJJ34-2002，城市热力网设计规范
[2]《金属波纹管膨胀节通用技术条件》CB/T12777-2008
[3]《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》GB50242-2002
作者简介：
李晋中（1973.4-），男，汉族，北京，硕士，热能中级职称，研究方向：空调、供热。