常用補償器在熱力管道設計中的對比分析

杜文江

（蘭州有色冶金設計研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730000）

0 引言

熱力管道在運行狀態(tài)下溫度要比安裝狀態(tài)高，運行狀態(tài)溫度的升高伴隨著管道的熱膨脹。目前，國內熱力管道多使用鋼制無縫管，在管道膨脹時往往伴隨著較大的應力，若對管道的熱膨脹處理不當往往造成生產(chǎn)事故，造成生命和財產(chǎn)損失。

在相關研究中，董同武對管道的熱補償理論進行了論述，對一些設計中應重視的問題進行了闡述，針對實際工程中出現(xiàn)的一些問題進行了詳細的分析和說明[2]。陳鵬針對供熱管道及其補償器的相關設計進行了分析和計算，并對長直管段的補償器產(chǎn)生異常位移的情況進行了分析，對采取的措施進行了簡單的論述，總結了供熱管道各個階段應注意的問題[3]。

本文針對工程中使用的方形補償器和波紋補償器進行對比分析，對兩種補償器在相同直管段、相同補償量下的管道應力和對固定支架的推力進行計算，并對計算結果進行分析對比。

1 模型建立

本文為對比2 種補償器（波紋補償器和方形補償器），選取相同的管道模型。選取管徑為D219X6，管道長度50 m，工作介質為水，管道設計壓力1.6 MPa，設計溫度150 ℃。管道模型兩端設置固定支架，其它位置設置滑動支架，并假設管道為架空敷設。

圖1 方形補償器模型尺寸圖

圖2 波紋補償器模型尺寸圖

2 應力計算

應力計算的主要工作包括：a.在內壓和外載的持續(xù)作用下計算管道承受的一次應力；b.由熱脹冷縮產(chǎn)生的二次應力。通過對以上應力的計算判斷管道設計是否安全。

（1）一次應力計算：

管道中由于壓力、重力和其它持續(xù)荷載所產(chǎn)生的縱向應力之和 σL不應大于最高溫度下材料的許用應力[σ ]h，計算公式如下[1]：

（2）二次應力計算：

[σ ]c—位移循環(huán)內管道在最低溫度下的許用應力，MPa；

[σ ]h—位移循環(huán)內管道在最高溫度下的許用應力，MPa；

3 計算結果與分析

(1)方形補償器計算結果如下：點在50、68 節(jié)點處，應力值為234209.6 kPa，比率為91.8%。

表1 方形補償器安裝工況下應力計算結果

表2 方形補償器純熱態(tài)工況下應力計算結果

表3 方形補償器運行工況下支架受力計算結果

從表3 可以看出，管道支架最大受力點為10、110 點，即固定點。其它支點除受重力外，水平方向的推力為摩擦力引起，受力較小。

(2)波紋補償器計算結果如下：

表4 波紋補償器安裝工況下應力計算結果

從表4 可以看出，波紋補償器模型一次應力基本滿足要求。一次應力最大點在30、100 節(jié)點處，應力值為23411.9 kPa，比率為21.2%。波紋補償器模型純熱態(tài)工況下應力計算值為零。

表5 波紋補償器運行工況下支架受力計算結果

從表5 可以看出，管道支架最大受力點為10、120 點，即固定點。其它支點除受重力外，水平方向的推力為摩擦力引起，受力較小。

4 結論

通過對方形補償器和波紋補償器兩種模型的計算，對比分析計算結果，得出以下結論：

（1）方形補償器模型較波紋補償器模型管道所受應力較大，但兩種補償方式管道模型應力均滿足材料的使用要求。

（2）兩種補償器形式在不考慮其它支架受力，只針對固定點，其受力波紋補償器明顯大于方形補償器。波紋補償器模型固定點的受力為97290 N，對于實際設計中支架的設計帶來一定的難度。