解決供熱管道熱脹冷縮問(wèn)題的方法有多種，如管道預(yù)熱安裝、彎頭自然張力補(bǔ)償、補(bǔ)償器等，但所有方法的目的只有一個(gè)：使管道在材料允許的應(yīng)力范圍安全運(yùn)行。在直埋管道中，彎頭自然張力補(bǔ)償應(yīng)用非常有限，補(bǔ)償器可最有效的降低管道運(yùn)行時(shí)的應(yīng)力，但同時(shí)補(bǔ)償器也成為熱力管道安全最薄弱的環(huán)節(jié)。普通的管道預(yù)熱安裝成本低，管道安全性高，但安裝時(shí)受到的限制因素很多，如必須全線敞溝預(yù)熱，管道加熱困難，及作業(yè)時(shí)間緊促等。一次性補(bǔ)償器是結(jié)合補(bǔ)償器和管道預(yù)熱安裝的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的。
1、一次性補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)
一次性補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)如圖所示，其伸縮元件因只使用一次，且預(yù)熱時(shí)介質(zhì)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(bǔ)償器相比可大大降低造價(jià)。一次性補(bǔ)償器外套管在管道運(yùn)行中將會(huì)承受介質(zhì)壓力，因此其壁厚不應(yīng)小于同等直徑標(biāo)準(zhǔn)管道壁厚。因整個(gè)補(bǔ)償器外殼所承受的應(yīng)力較大，所以加強(qiáng)筋較多。在一次性補(bǔ)償器吸收管道伸長(zhǎng)量后將二次焊口密封焊接牢固，由于二次焊口受剪切應(yīng)力，推薦采用兩層三遍焊接，如圖所示。
2、一次性補(bǔ)償器的安裝
如圖所示，安裝一次性補(bǔ)償器的管段應(yīng)與其他管段用固定墩隔開(kāi)，以確保吸收定長(zhǎng)管道預(yù)熱伸長(zhǎng)量。為確保其精確，可在預(yù)熱前計(jì)算定長(zhǎng)管道理論伸長(zhǎng)量，然后在各一次性補(bǔ)償器上作出標(biāo)記，使各個(gè)一次性補(bǔ)償器壓縮量之和等于定長(zhǎng)管道的計(jì)算伸長(zhǎng)量，待預(yù)熱伸長(zhǎng)到位時(shí)，將補(bǔ)償器二次焊口焊接固定。管道在運(yùn)行中不再有伸縮運(yùn)動(dòng)，其溫度變化引起的管道長(zhǎng)度伸縮將轉(zhuǎn)化為管道的內(nèi)應(yīng)力。
一般常用的一次性直埋波紋補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
3、一次性補(bǔ)償器工作原理
管道安裝一次性補(bǔ)償器后，管道被固定，其長(zhǎng)度不再變化，其溫度變化將引起管道內(nèi)應(yīng)力的變化。安裝時(shí)，管道的應(yīng)力為零；溫度升高后，管道受壓應(yīng)力；溫度降低時(shí)，管道受拉應(yīng)力。其應(yīng)力值為：
式中：σ—管道運(yùn)行時(shí)的應(yīng)力 MPa
E — 材料彈性模量 MPa
L — 管道定長(zhǎng) m
ΔX — 定長(zhǎng)管道伸縮量 m
ΔX = α·L·（t2 — t1）
式中：α — 管道材料線膨脹系數(shù) 1 / ℃
t1 — 管道應(yīng)力為零時(shí)的溫度 ℃
t2 — 管道運(yùn)行時(shí)的溫度 ℃
則管道應(yīng)力
σ = E ·α·（t2 — t1）
由公式可以得出：管道運(yùn)行時(shí)的應(yīng)力與其溫度變化量成正比，當(dāng)管道運(yùn)行溫度t2大于管道零應(yīng)力溫度t1時(shí)，應(yīng)力為正值，管道受壓應(yīng)力；當(dāng)管道運(yùn)行溫度t2小于管道零應(yīng)力溫度t1時(shí)，應(yīng)力為負(fù)值，管道受拉應(yīng)力。
將公式變換為：
t2 — t1 = σ / E ·α
由于管道應(yīng)力值應(yīng)小于材料的許用應(yīng)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(yù)熱管道的溫度升高或降低必須小于某一值，否則管道應(yīng)力會(huì)大于材料的許用應(yīng)力而使管道破壞。即管道運(yùn)行的溫度范圍為：
t1 — Δt ≤ t ≤ t1 + Δt
當(dāng)管道材質(zhì)為20# 時(shí) ，Δt = [σ] / E ·α≈ 60 ℃ 。一般管道運(yùn)行起始溫度設(shè)定為 0 ℃（直埋管道冬季停止供熱時(shí)）。因此可以得出直埋預(yù)熱管道在預(yù)熱溫度為60℃時(shí)運(yùn)行溫度范圍最大，為 120℃ ，即管道運(yùn)行中在低于60℃時(shí)為拉應(yīng)力狀態(tài)，0℃時(shí)拉應(yīng)力最大，絕對(duì)值為[σ] ；管道等于60℃時(shí)為零應(yīng)力狀態(tài)；管道大于60℃時(shí)為壓應(yīng)力狀態(tài)，120℃時(shí)壓應(yīng)力最大，絕對(duì)值為[σ] 。管道總應(yīng)力范圍為2[σ]。
由上可以看出，預(yù)熱安裝一次性補(bǔ)償器的管道在運(yùn)行中其應(yīng)力并不會(huì)減?。ㄟ@一點(diǎn)與普通補(bǔ)償器不同，普通補(bǔ)償器可以很大限度的減小管道應(yīng)力），只是我們通過(guò)預(yù)熱安裝一次性補(bǔ)償器，可以方便地將管道的零應(yīng)力溫度調(diào)到最佳值，使管道運(yùn)行溫度范圍最大，且其應(yīng)力始終在安全的材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)，最大限度的發(fā)揮材料的性能。
4、預(yù)熱安裝一次性補(bǔ)償器的優(yōu)越性
（1） 管道施工預(yù)熱較方便，管線可部分回填；
（2） 一次性補(bǔ)償器價(jià)格較低，可有效的降低工程造價(jià)；
（3） 一次性補(bǔ)償器安裝完畢后其強(qiáng)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(wèn)題，這一點(diǎn)對(duì)地下水腐蝕性強(qiáng)的地區(qū)尤為重要。
