吴凌 陈盛
（上海建工一建集团有限公司安装工程公司，上海 200437）
上海白玉兰广场办公楼超高层空调水立管波纹补偿器的计算与设置
吴凌陈盛
（上海建工一建集团有限公司安装工程公司，上海200437）
超高层建筑空调水管道井内主立管，由于管件自重、管道内水温温差导致的热胀冷缩、空调水系统的水压等产生的力，为保证施工的安全性、经济性、合理性，结合现场的实际情况，通过对其中最不利管路，空调热水供水管路的管道伸缩及受力分析与计算，并优先采用自然补偿，在自然补偿不满足的情况下复核并确定波纹补偿器的选型及设置，以保证管道的伸缩量小于所选波纹补偿器的额定补偿量。
白玉兰空调热水管波纹补偿器
1 工程概况
上海北外滩白玉兰广场项目位于虹口区北外滩沿黄浦江地区，地块南至东大名路，西毗旅顺路，北接东长治路，东临新建路越江水道。其最高建筑办公塔楼为目前浦西第一高建筑，地上建筑为66层高达320m，地下建筑高度20.65m。
2 办公楼空调水立管简介
位于办公楼核心筒内空调机房的空调水（四管制）主管井，需安装服务于办公楼空调水系统的空调冷冻水供、回水管（最大管径为DN500，壁厚10mm的无缝钢管，保温材料采用闭孔发泡橡塑，机房内保温厚度为50mm）、空调热水供、回水管（最大管径为DN300，壁厚8mm的无缝钢管，保温材料及保温厚度同冷冻水）、用户伺服机房24h冷冻水供、回水管（最大管径为DN250，壁厚7mm，保温材料及保温厚度同上）。此办公楼空调水系统分为低区、高区，转换设备层设置于35/F。其中，低区建筑高度为174.65m，高区建筑高度为136.3m，因此，最长的垂直管道位于办公楼低区。为保证垂直管道安装的安全与合理性，我们需要结合现场的实际情况与通过计算来合理的确定补偿器的选型及设置。
根据设计要求，空调冷冻水供、回水温度分别为5.6℃，13.3℃，空调热水供、回水温度分别为70℃，55℃，热水管道的温差比冷水管道大的多，相应的热水管道的膨胀量比冷水管道的膨胀量大的多，由此产生的推力比DN500、DN300管径差别导致的重力对支架的影响大的多，现以低区空调热水供水管垂直管道为例进行受力分析及计算。
2.1固定点B点的受力分析（见图一、图二）
（1）固定点B、C之间管道的热膨胀量：
△l=αx Lx（t2-t1）=0.012x58.5x56=39.3mm
式中α为管道的线膨胀系数，0.012mm/（m.℃）；L为固定点B、C间管段线长度；t2为设计水温70℃，t1为管道安装温度，取14℃（注：管道试压调试时间为6月份，考虑上海6月份常年气温，大概取中间值14℃）。
所选补偿器BGF-300-25，产品波数8波，产品补偿量62mm，实际补偿量为额定补偿量的63%，补偿量满足要求。（注：本项目选用波纹补偿器品牌及型号为上海青浦环新减震器厂生产的BGF型不锈钢波纹补偿器，轴向内压型）
（2）固定点B、C间管段自身重量作用于固定点B点：
FgB=1.2（qx+qw）L+qyx L=1.2x（63.81x9.8+6.83x9.8）x58. 5+76.53x9.8x58.5=92472N
式中qx为管道自重（N/m），qy管道内水重（N/m）、qw管道保温材料重量（N/m），L为B、C点固定支架间管段线长度（m）。
上述管段自重对于固定点B点的作用力始终是方向向下（如附图二FgB箭头所指方向）。
（3）固定点B点管道内压作用于波纹补偿器、弯头后对固定支架产生的推力FnB。
不同的工况下，内压产生的对于固定支架的推力也不同，但是主要分为试压与系统正式运行时两种受力状态，因此，需要进行分析这两种状态下的最不利的一种状态。
由于试压时利用50/F水箱水从高处向管路内进水，根据设计要求试验压力为2.5MPa，压力向下。在系统正式运行时此路管道由设置于B1/F锅炉房内的循环水泵拉动水循环，循环水泵扬程为32m，压力向上，同时考虑立管高度产生的静压为164.5m，方向向下。上述分析可知，固定点B点在试压时所承受的内压产生的推力更大，因此，计算时采用试压时的推力数据。（注：上述分析不考虑管内的水压力随着位置和流量的变化而变化）
FnB=PxAi=2.5x985x100=246250N
式中P为试验压力值（2.5MPa），Ai为波纹管有效面积（由样本查得DN300波纹管有效面积为985cm2）（注：本项目选用波纹补偿器品牌及型号为上海青浦环新减震器厂生产的BGF型不锈钢波纹补偿器，轴向内压型）
（4）波纹补偿器的弹性推力对于固定支架的作用：
由于在不同工况切换使用过程中，冷水、热水会对波纹补偿器产生拉伸或压缩的情况，产生的弹性力对固定支架的作用方向有时向上，有时向下。因此，基于最不利情况来考虑，假定此力对固定支架的作用方向同重力方向，向下作用。
FsB=Kxx△l=175x9.8x39.3=67400N
式中Kx为厂家提资波纹补偿器刚度175kg/mm。
根据上述分析，固定点B点所受合力为：
FB=FgB+FnB+FsB=92472+246250+67400=406122N
注：垂直管道滑动支架摩擦力忽略不计
2.2固定点C点的受力分析（见图一、图三）
（1）△l=αx Lx（t2-t1）=0.012x49.5x56=33.27mm
所选补偿器BGF-300-25，产品波数8波，产品补偿量62mm，实际补偿量为额定补偿量的54%，补偿量满足要求。
（2）FgC=1.2（qx+qw）L+qyxL=1.2x（63.81x9.8+6.83x9.8）x49. 5+76.53x9.8x49.5=78246NN
（3）FnC=Px（Ai-A）=2.5x（985x100-3.14x1502）=69625N
注：固定点C、D前面没有弯头或挡板之类，可以看做是一段直管段，因此，只考虑内压作用于波纹补偿器后对于固定支架产生的推力。式中A为管道截面积（mm2）
（4）FsC=Kxx△l=175x9.8x33.27=57058N
根据上述分析，固定点C点所受合力为：
FC=FgC+FnC+FsC=78246+69625+57058=204929N
2.3固定点D点的受力分析（见图一、图四）
（1）△l=αx Lx（t2-t1）=0.012x20.51x56=13.78mm
（2）FgD=1.2（qx+qw）L+qyx L=1.2×（63.81x9.8+6.83x9.8）× 20.51+76.53x9.8x20.51=32420N
（3）FnD=PxAi=2.5x985x100=246250N
（4）FsD=Kxx△l=175x9.8x13.78=23632N
根据上述分析，固定点D点所受合力为：
FD=FgD+FnD+FsD=32420+246250+23632=302302N
经上述计算可知，安装于立管两端的固定支架受力最大，主要受力为内压作用于波纹补偿器及弯头后对于固定支架的受力。波纹补偿器安装于立管时，主要受到重力与内压的作用，对于波纹补偿器安装于固定支架的上方还是下方，对于受力并无大的影响，出于固定支架及补偿器施工便利性及试压、运行过程中便于观察，建议固定支架安装高度为1500mm，波纹补偿器安装于靠近固定支架的上方。
2.4波纹补偿器的选择注意事项
波纹补偿器的选择可以根据上述计算的热膨胀量、荷载数据让厂家进行选型，根据厂家的资料显示，疲劳寿命N=1000次，为了延长波纹补偿器的使用寿命，选型时可以适当增大额定补偿量，使实际补偿量控制在额定补偿量的70%以内。
2.5立管两端管段自然补偿验算（见图五）
空间立体管段的自然补偿能力是否满足要求，可以按照公式DNx△l/（L-U）2≤20.8进行验算。
式中：DN——管道公称直径（mm）；△l——管道三个方向热伸长量的向量和（cm）；L——管道展开总长度（m）；U——管道两端固定点之间的直线距离（m）。
上述公式使用条件：①一根管道，管材与管径一致；②两端必须是固定点；③中间无限位支架；④无分支管。
各管段热伸长量为：
△lBA=αx Lx（t2-t1）=0.012x35.9x56=24.125mm=2.412cm；
△lAA1=αx Lx（t2-t1）=0.012x1.5x56=1.008mm=0.1cm；
△lA1A2=αx Lx（t2-t1）=0.012x4.5x56=3.024mm=0.3cm；
△lA2A3=αx Lx（t2-t1）=0.012x0.45x56=0.303mm=0.03cm；
△lA3A4=αx Lx（t2-t1）=0.012x1x56=0.672mm=0.067cm；
管段的三个方向热伸长量的向量和：
两固定点A、A 4之间的直线距离U=36.23m；管道展开长度L=43.35m；管道公称直径DN=300mm；DNx△l/（L-U）2=300x2. 41/（43.35-36.23）2=14.26≤20.8。所以本段（立管下端）自然补偿能力满足要求。经过计算，立管上端自然补偿能力也满足要求，因此上述两段无需设置波纹补偿器。
经过计算与分析最终确定所有管道所需波纹补偿器，并进行材料送审及采购。补偿器的正确设置，避免管道热胀冷缩导致的对管路的破坏。
