動力管道熱補償器的使用

蔡欣

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計院有限公司 秦皇島市 066001）

0 引言

玻璃、水泥等行業(yè)的動力管道設(shè)計時必須考慮管道的熱脹冷縮問題。為使管道在熱狀態(tài)下穩(wěn)定和安全，并減少管道熱脹冷縮時所產(chǎn)生的應(yīng)力，管道受熱時的熱伸長量應(yīng)預(yù)以補償（吸收）。

1 補償器分類

動力管道的補償可采用自然補償和利用補償器補償兩種方式。自然補償即利用管道布量的自然彎曲和扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生變形來吸收管道的熱伸長，以消除管道的熱應(yīng)力，動力管道的設(shè)計應(yīng)盡量采用自然補償，當自然補償無法滿足補償要求時，可設(shè)置補償器進行熱補償。補償器類型有方形補償器、波紋補償器、套筒補償器、球形補償器等。選擇補償器時，應(yīng)根據(jù)敷設(shè)條件，采用維修工作量小、工作可靠、價格相對合理的補償器。

1.1 管道的自然補償

在實際工程中，管道的走向常常出現(xiàn)L形直角彎、Z字形折角彎及空間立體彎等典型管段，自然補償就是利用這種管道自身的彎曲（柔性）來補償管道的熱伸長。

1.2 管道的補償器補償

1.2.1 波紋補償器補償

在實際工程中部分動力管道很難用自然補償方法來吸收其熱脹位移，或者用自然補償法不經(jīng)濟等情況，應(yīng)考慮使用波紋補償器。波紋補償器，也叫膨脹節(jié)或伸縮節(jié)，由構(gòu)成其工作主體的波紋管（一種彈性元件）和端管、支架、法蘭、導(dǎo)管等附件組成。用于壓力不太高的動力管道中，能夠補償管道的熱位移，機械變形和吸收各種機械振動，起到降低管道變形應(yīng)力和提高管道使用壽命的作用。

波紋補償器按連接方式分為法蘭連接和焊接2種；按膨脹節(jié)自身能否承受壓力推力將膨脹節(jié)分為非約束型和約束2種型式，非約束型膨脹節(jié)自身不能承受壓力推力，約束型膨脹節(jié)自身能承受壓力推力；按照吸收位移類型分為軸向型、角向型、橫向型和萬向型4種型式。波紋補償器波紋管材質(zhì)一般為奧氏體不銹鋼，如SUS304、SUS321、SUS316和SUS316L。

1.2.2 方形補償器補償

方形補償器由管子彎制或由彎頭組焊而成，利用剛性較小的回折管撓性變形來補償兩端直管部分的熱伸長量。其優(yōu)點是制造方便，補償能力大，軸向推力小，維修方便，運行可靠；缺點是占地面積較大，介質(zhì)流動阻力較大。但方形補償器由于其穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，是工程中使用最廣泛、結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的補償器。

1.2.3 套筒補償器補償

套筒補償器稱管式伸縮節(jié)，是熱流體管道的補償裝置，主要用于直線管道敷設(shè)后出現(xiàn)的軸向熱膨脹位移吸收補償，是一種直接安裝在任何輸送無腐蝕的單向或多向流體的管道之中的補償器，主要有套筒（芯管）、外殼、密封材料等組成，用于補償管道的軸向伸縮及任意角度的軸向轉(zhuǎn)動。具有體積小、補償量大的特點，適用于熱水、蒸汽、油脂類介質(zhì)，通過滑動套筒對外套筒的滑移運動，達到熱膨脹的補償。套筒補償器的缺點是容易泄露，維護工作量大，且固定推力較大，因而逐漸較少采用。

1.2.4 球形補償器補償

球形補償器主要依靠球體的角位移來吸收或補償管道一個或多個方向上橫向位移，該補償器應(yīng)成對使用，單臺使用沒有補償能力，但它可作管道萬向接頭使用。球形補償器補償能力大，適宜長距離管道采用，但易于泄露的缺陷始終未被廣泛應(yīng)用。

2 管道熱補償?shù)挠嬎?/h2>

設(shè)置熱補償器的目的，就是為了吸收管道熱膨脹量，而不會損壞與管道連接的設(shè)備及管道本體等。為使動力管道位移在合理范圍內(nèi)，應(yīng)根據(jù)管徑、管道敷設(shè)方式、管道補償器的類型等，設(shè)置管道固定支架以及管道補償器，均勻分配動力管道的熱伸長量，保證熱力管道、熱補償器安全可靠地工作。

本文主要就常用的自然補償器、方形補償器以及波紋補償器進行簡單的計算說明。

2.1 管道熱伸長量

管道熱伸長量按下式計算：

式中：DL—熱伸長量，cm；

a—管材的線膨脹系數(shù)，cm/（m·℃），

見表1；

L—計算管道的長度，m；

t2—管內(nèi)介質(zhì)溫度，℃；

t1—管道安裝溫度，℃。

表1 常用鋼材的線膨脹系數(shù) /×10-4cm·m-1· ℃-1

2.2 管道自然補償器的計算

當彎管轉(zhuǎn)角小于150°時，該彎管具有自然補償能力，能用作自然補償；大于150°時，該彎管不具有自然補償能力，不能用作自然補償。自然補償?shù)墓艿辣坶L不應(yīng)超過20～25 m。彎角處的應(yīng)力不應(yīng)超過［s］＝78.48 MPa。

自然補償器包括： L形補償器、Z形補償器和空間補償器。

①l型直角彎補償器如圖1所示，其短臂長度l的計算公式為：

式中：l—計算管道短臂長度，m；

DL—長臂L的熱伸長量，mm；

D—管道外徑，mm。

圖1 L型補償器

② Z型補償器如圖2所示，其短臂長度l的計算公式為：

式中：l—計算管道垂直臂長度，m；

Dt—計算溫差，mm；

E—管道材料的彈性模量，MPa；

D—管道外徑，mm；

［s］—管道材料的許用應(yīng)力，MPa；

K—L1/L2，L1為長臂長度，L2為短臂長度。

圖2 Z型補償器

③空間補償器如圖3所示。

圖3 空間補償器

固定支架之間，其空間補償能力能否滿足要求，可按下式進行驗算：

式中：D—管道外徑， mm；

DL—管道三個方向熱伸長量的向量總和，cm；

L—管道展開總長度，m；

U—管道兩端固定點之間的直線距離，m。

式（4）使用條件：①一根管道、管材管徑一致；②兩端必須是固定點；③中間無限位支吊架；④無分支管。

2.3 方形補償器的計算

方形補償器是動力管道設(shè)計中最常用的一種補償器，由4個90°彎頭組成，見圖4。兩固定支架之間，應(yīng)按照熱伸長量計算公式，計算最大膨脹量，依據(jù)管徑、膨脹量及類型，按表2選用方形補償器。常用的有4種類型： 1型（B=2A）、2型（B=A）、3型（B=0.5A）、4型（B=0），方形補償器選型見表2。

圖4 方型補償器

表2 方形補償器選型參數(shù)

續(xù)表2

2.4 波紋補償器的計算

波紋補償器為非標準設(shè)備，應(yīng)根據(jù)管道介質(zhì)最大工作壓力、最大工作溫度、固定支架間最大熱伸長量（按2.1計算）、波紋補償器的類型型號、提供設(shè)備波紋管廠家非標計算選擇。可按照計算出的補償量，直接查取補償器設(shè)備樣本，然后按照樣本反饋的剛度及壓力面積，校核固定點推力。

3 管道熱補償使用原則及安裝注意事項

3.1 冷緊、自冷緊以及冷緊比值的選取

冷緊是指在安裝時（冷態(tài)）使管道產(chǎn)生一個初位移和初應(yīng)力的一種方法。如果熱脹產(chǎn)生的初應(yīng)力較大時，在運行初期，初始應(yīng)力超過材料的屈服強度而發(fā)生塑性變形，或在高溫持續(xù)作用下，管道上產(chǎn)生應(yīng)力松弛或發(fā)生蠕變現(xiàn)象，在管道重新回到冷態(tài)時，則產(chǎn)生反方向的應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱為自冷緊。

冷緊的目的是將管道的熱應(yīng)變一部分集中在冷態(tài)，從而降低管道在熱態(tài)下的熱脹應(yīng)力和對端點的推力與力矩，也可以防止法蘭連接處彎矩過大而發(fā)生泄漏，但冷緊不改變熱脹應(yīng)力范圍。

冷緊比為冷緊值與全補償量的比值。對于材料在蠕變溫度下工作的管道，冷緊比宜取0.7。對于材料在非蠕變溫度下工作的管道，冷緊比宜取0.5。

3.2 方形補償器的應(yīng)用要求

方形補償器結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、投資少，應(yīng)優(yōu)先選用。方形補償器應(yīng)設(shè)置在兩固定點中部，為防止管道橫向位移過大，應(yīng)在方形補償器兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)向架，導(dǎo)向支座與方形補償器的距離一般取管徑的30～40倍，見圖5。

圖5 方形補償器安裝要求

安裝方形補償器時一般必須冷緊，冷緊值：當介質(zhì)溫度250 ℃時，為計算熱伸長量的50%；當介質(zhì)溫度為250～400 ℃時，為計算熱伸長量的70%。

3.3 波紋補償器的應(yīng)用要求

在工程設(shè)計中，經(jīng)常由于工藝、布置空間等方面的要求，尤其是高溫低壓的場合而使用金屬波紋膨脹節(jié)，這些因素是千變?nèi)f化的，因而，在膨脹節(jié)的選型、安裝位置等方面的設(shè)計及計算應(yīng)符合下列要求。

3.3.1 補償器的選型及計算

①波紋補償器通常適用于高溫低壓場合；

②對于有疲勞因素的管線應(yīng)特別注意補償器的使用壽命（安全循環(huán)次數(shù)）；

③波紋補償器絕不應(yīng)使用于有扭轉(zhuǎn)的位置；

④應(yīng)特別注意負壓時波紋補償器對系統(tǒng)的影響；

⑤波紋補償器訂貨和安裝時，應(yīng)考慮預(yù)拉伸，預(yù)拉伸量為50%。

3.3.2 無約束軸向補償器布置應(yīng)符合以下要求

①兩個固定支座間僅能布置一個補償器；

②固定支座必須具有足夠的強度，以承受內(nèi)壓推力的作用；

③對管道必須進行嚴格保護，尤其是靠近補償器的部位應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向支架，第一個導(dǎo)向支架與補償器的距離應(yīng)小于或等于4倍公稱直徑，第二個導(dǎo)向支架與第一個導(dǎo)向支架的距離應(yīng)小于或等于14倍公稱直徑，其余中間支架最大間距不應(yīng)超過Lmax，以防止管道有彎曲和徑向偏移造成補償器的破壞，見圖6。

圖6 波紋補償器安裝要求

式中：Lmax—導(dǎo)向支架之間的最大間距，mm；

E—管道材料的彈性模量，MPa；

I—管道橫截面的慣性矩，mm4；

P0—設(shè)計壓力， MPa；

A—波紋管的有效面積（見廠家資料），mm2；

K—膨脹節(jié)的軸向剛度，N/mm；

DL—膨脹節(jié)的軸向位移， mm；

±—工作狀態(tài)下波紋管受壓采用“+”，波紋管收拉伸采用“-”；

t—管道的壁厚，mm；

Dm—管道的平均直徑，mm。

3.3.3 波紋補償器施工安裝應(yīng)注意的問題

①波紋補償器的施工和安裝應(yīng)與設(shè)計要求相一致；

②波紋補償器上的箭頭表示介質(zhì)流向，應(yīng)與實際介質(zhì)流向相一致，不能裝反；

③固定支架和導(dǎo)向支架等應(yīng)嚴格按照設(shè)計圖紙進行施工，需要改動時應(yīng)經(jīng)原分析設(shè)計人員認可；

④安裝過程中，不允許焊渣飛濺到波殼表面，不允許波殼受到其它機械損傷；

⑤波紋補償器的安裝使用應(yīng)嚴格按照產(chǎn)品安裝說明書進行，禁止采用使膨脹節(jié)變形的方法來調(diào)整管道的安裝偏差；

⑥需要進行"冷緊"的補償器，預(yù)變形所用的輔助構(gòu)件應(yīng)在管路安裝完畢后方可拆除；

⑦在管道系統(tǒng)（包括管道、膨脹節(jié)和變架等）安裝完畢、系統(tǒng)試壓之前，應(yīng)將膨脹節(jié)的運輸保護裝置拆除或松開。按照國標GB/T 12777—2008《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》的規(guī)定，運輸保護裝置涂有黃色油，應(yīng)注意不能將其他部件隨意拆除；

⑧對于復(fù)式大拉桿波紋補償器，不能隨意松動大拉桿上的螺母，更不能將大拉桿拆除；

⑨裝有波紋補償器的管道，進行水壓試驗時，應(yīng)考慮設(shè)置適當?shù)呐R時支架以承受額外加到管道和波紋補償器上的荷載，試驗后應(yīng)將臨時支架拆除。水壓試驗用水氯離子含量不超過25×10-6，水壓試驗結(jié)束后，應(yīng)盡快排除波殼中的積水，并迅速將波殼內(nèi)表面吹干。

3.4 球形補償器的應(yīng)用要求

相當于波紋和套筒補償器，球形補償器有其特殊性，因為球形補償器本體主要以補償旋轉(zhuǎn)角度為主，所以為了補償管線膨脹，球形補償器在設(shè)計中往往成組出現(xiàn)，如一對兩個或三個，有的還可以二對四個等形式。如圖7所示。

圖7 球形補償器工作原理圖

球形補償器計算主要以滿足補償器的折屈角為主，在允許的條件下，應(yīng)選用較大的球心距，以便在折屈角不變的情況下獲得較大的補償量或使球體轉(zhuǎn)動角度減小，獲得較合理的工作條件，延長補償器壽命。

4 結(jié)語

動力管道優(yōu)選自然補償器補償，當自然補償不能滿足要求的時候，采用其他形式的補償器。各種類型補償器優(yōu)缺點明顯，且有針對性，并不是一概不用，也不可隨意設(shè)置。設(shè)計選型、制造到安裝施工等各環(huán)節(jié)，設(shè)計人員和施工單位應(yīng)重視補償器在動力管道中的重要作用，按照規(guī)范要求，將補償器這項工作做好。