對旋轉(zhuǎn)補償器在供熱管道設(shè)計中的應(yīng)用探析

劉亞娟

摘 要：供熱管道是保證居民在寒冷季節(jié)正常生產(chǎn)生活的基礎(chǔ)民生設(shè)施，尤其是城市的集中供熱管道已經(jīng)成為當(dāng)前我國許多大城市最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。文章對供熱管道設(shè)計中旋轉(zhuǎn)補償器的工作原理和特征進行了詳細的分析和討論，并根據(jù)實際工程實例闡述旋轉(zhuǎn)補償器在供熱管道設(shè)計中的具體應(yīng)用和作用，為供熱管道設(shè)計尤其是城市供熱管道設(shè)計提供建議和幫助。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)補償器；供熱管道；管道設(shè)計

引言

由于當(dāng)前百姓對供熱的需求加大，尤其是冬季對供熱的需求更是增加，各省市和地區(qū)逐漸在城鎮(zhèn)中普及了集中供熱，甚至有些南方省市也在籌劃冬季集中供熱的方案。補償器是供熱管道中的重要設(shè)備，主要作用是在供熱管道升溫的情況下，防治因熱伸長或者溫度應(yīng)力而導(dǎo)致的供熱管道出現(xiàn)變形或破壞，在供熱管道上安裝補償器就可以補償管道的熱伸長，目的是降低管壁的作用及應(yīng)力引起的閥件或支架結(jié)構(gòu)上的作用力，在熱力管網(wǎng)中的應(yīng)用前景廣泛。

1 旋轉(zhuǎn)補償器的工作原理和基本結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)補償器的工作原理是首先安裝成對的旋轉(zhuǎn)筒補償器，通過旋轉(zhuǎn)筒和器臂的旋轉(zhuǎn)來形成一定的力偶，從而產(chǎn)生一對方向相反但大小相等的力，力臂圍繞筒軸中心旋轉(zhuǎn)，從而吸收力偶兩側(cè)的直管段產(chǎn)生的熱膨脹量，實現(xiàn)吸收供熱管道熱位移的目的。旋轉(zhuǎn)補償器的基本結(jié)構(gòu)包括密封壓蓋、密封座、大小頭、旋轉(zhuǎn)筒、減磨定心軸承和密封材料等部件。在供熱管道中需要設(shè)置成對的旋轉(zhuǎn)補償器，這樣可以產(chǎn)生相對的能夠吸收管道內(nèi)熱位移的力，降低管道應(yīng)力。詳細結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1

2 旋轉(zhuǎn)補償器的特點

2.1 安全性能好

旋轉(zhuǎn)補償器主要是在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用了雙密封的構(gòu)造，即，端密封和環(huán)密封兩種密封構(gòu)造，使得旋轉(zhuǎn)補償器的密封性能非常好，其安全性能較高。

2.2 設(shè)計簡便

在供熱管道設(shè)計過程中如果采用波紋補償器則要遵守嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和原則，設(shè)計起來比較麻煩和費時。但是，旋轉(zhuǎn)補償器則由于型式較多則能夠?qū)崿F(xiàn)按供熱管道的實際情況來設(shè)置適合的補償器，設(shè)計起來非常簡便。

2.3 使用壽命長

旋轉(zhuǎn)補償器的使用壽命可達二十年以上。

2.4 補償量較大

通常波紋補償器的補償量在300-400mm之間，而旋轉(zhuǎn)補償器的最大補償量可以達到1800mm。實際應(yīng)用中，若管線>DN200，則可以達到單邊補償量130-200m；若管線≤DN200，單邊補償量能達到100-300m。所以，旋轉(zhuǎn)補償器在長距離蒸汽輸送管線中的補償作用較好，補償量較大。

2.5 安裝方法與型式多樣

旋轉(zhuǎn)補償器的最大優(yōu)點是它可以根據(jù)實際的管網(wǎng)地形和管線走向，選取合適的旋轉(zhuǎn)補償器型式，且安裝也比較簡便，并不需要預(yù)緊和冷拉等工藝，只需要簡單的對焊就能夠?qū)崿F(xiàn)對蒸汽管道的補償。

2.6 投資成本低且經(jīng)濟效益高

旋轉(zhuǎn)補償器的投資成本低體現(xiàn)在其對土建投資的降低作用。因其補償距離長所以使用數(shù)量少，對土建的固定墩產(chǎn)生的推力較小，所以固定墩的數(shù)量設(shè)置可以少些，并且固定墩的規(guī)格小，綜合來說，土建投資就會大大減少。使用旋轉(zhuǎn)補償器的供熱網(wǎng)工程總投資要比其他類型的補償器工程投資減少20%-40%左右，投資節(jié)約能力較好。

3 旋轉(zhuǎn)補償器型式和布置原則

3.1 旋轉(zhuǎn)補償器的型式

旋轉(zhuǎn)補償器的型式有兩種：直線型和錯位型。其中，直線型又分為三種主要類型：上翻式、高差式和倒掛式，且三種型式都是根據(jù)同一直線為準(zhǔn)則的；錯位式旋轉(zhuǎn)補償器則有五種類型：直線型上翻錯位式、直線型下翻錯位式、直角型錯位式、直角型高差錯位式和直線型高差錯位式。這些是實際供熱管道中常見的旋轉(zhuǎn)補償器型式。

3.2 旋轉(zhuǎn)補償器的布置

供熱管道設(shè)計中對旋轉(zhuǎn)補償器的布置有嚴(yán)格的規(guī)范和要求。具體布置形式有Ω型和II型。圖2為II型的布置示意圖。補償點在兩個固定支架中心處時，兩側(cè)被補償管道隨管道內(nèi)溫度升高而沿著O點旋轉(zhuǎn)θ角，吸收熱伸長。但是，若補償點并不在兩個固定支架的中心處時，在供熱管道伸長的情況下，旋轉(zhuǎn)中心點O會逐漸偏向比較短的一側(cè)的被補償管道方向。由于供熱管道的熱伸長將管道的首末兩點都保持在同一直線上，而旋轉(zhuǎn)補償器則是以點O為中心出現(xiàn)弧線的行程。因此，II型旋轉(zhuǎn)補償器隨著供熱管道的熱伸長，使被補償管道出現(xiàn)橫向移動，且橫向移動在補償量達1/2△L時達到最大值y。

圖2

4 實際供熱管道中旋轉(zhuǎn)補償器的應(yīng)用

4.1 預(yù)偏轉(zhuǎn)量和旋轉(zhuǎn)角度

旋轉(zhuǎn)補償器的補償量是非常大的，能夠達到1800mm，這種高效率的補償能力可以明顯提高旋轉(zhuǎn)補償器在管道中的穩(wěn)定度，為達到這種目的就必須對旋轉(zhuǎn)補償器實施預(yù)偏裝，且方向要與熱膨脹的方向相反；旋轉(zhuǎn)補償器的旋轉(zhuǎn)角度直接關(guān)系到密封材料的壽命和固定支架的推力作用。預(yù)偏裝量X及其旋轉(zhuǎn)角度θ的計算公式為：X=△/2=S*a*（T2-T1）；θ=2*arcsin（△/L）。公式中的△為熱膨脹量，S為旋轉(zhuǎn)補償器與固定點之間的距離，a是線脹系數(shù)，T1是安裝的溫度，T2是設(shè)計的溫度，L是旋轉(zhuǎn)臂長度。根據(jù)此公式計算出X=159mm、θ=6.27°。

4.2 固定點的推力

旋轉(zhuǎn)補償器的固定支架的推力是比較小的，非常適合在供熱管道中使用。旋轉(zhuǎn)補償器的固定點的推力一共有三個，即，管道在供熱過程中受熱脹冷縮原理的影響而出現(xiàn)的受限制的熱脹力（管道自重在熱伸長時對固定點產(chǎn)生的摩擦反力Fm）、旋轉(zhuǎn)過程中由于內(nèi)部壓力而產(chǎn)生的不平衡力和推力Fb。但是在實際的計算和應(yīng)用過程中可以忽略因內(nèi)部壓力而產(chǎn)生不平衡力，這是由于旋轉(zhuǎn)補償器的結(jié)構(gòu)特征及其布置型式來決定的。因此，固定支架的推力計算公式為：F=Fm+Fb，其中，F(xiàn)m=μ*G，F(xiàn)b=M/[Lcos（θ/2）]，此公式中μ是摩擦系數(shù)，且鋼之間的滑動支架取0.3、聚四氟乙烯板和鋼間的滑動支架取0.2、滾動支架取0.1；G是旋轉(zhuǎn)補償器所在位置的管道與固定支架間的總重量；M是旋轉(zhuǎn)筒在摩擦?xí)r產(chǎn)生的摩擦力矩，這是以廠家提供的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)；L是旋轉(zhuǎn)力臂，θ是選擇角度；此時，該供熱管道對旋轉(zhuǎn)補償器的要求是2337380N·cm；旋轉(zhuǎn)補償器T1面的總推力F為13927N和33709N。因此，最終的計算結(jié)果顯示旋轉(zhuǎn)補償器應(yīng)用過程中其固定支架所產(chǎn)生的推力是很小的，幾乎不會造成什么影響。主要推力是由管道在滑動過程中所產(chǎn)生的摩擦反力導(dǎo)致的。

5 結(jié)束語

在集中供熱需求越來越大的當(dāng)前，供熱管道的設(shè)計普遍開始采用補償器來防治因熱伸長或者溫度應(yīng)力而導(dǎo)致的供熱管道出現(xiàn)變形或破壞。旋轉(zhuǎn)補償器可以根據(jù)供熱管道的實際情況來選取合適的型式，相比其他類型的補償器更加靈活方便。旋轉(zhuǎn)補償器相比自然補償有減少彎頭、壽命長、補償量大和安全可靠的優(yōu)點。而且由旋轉(zhuǎn)補償器產(chǎn)生的推力也比較小，對管道壓力損失小，應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻

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