運用CAESAR Ⅱ分析帶旋轉補償器供熱管道的設計要點

朱 贏，劉 凱，臧 藏

（中機國能電力工程設計研究院，上海 200061）

引言

供熱管道有著管線距離長、管徑大、敷設形式多變（架空與埋地并存）等特點，在這種情況下，采用傳統的自然補償或者波紋管補償器很難吸收管道的熱膨脹量，而旋轉補償器的出現很好地匹配了供熱管道的應用場景，它的補償量與自然補償和波紋管補償器相比較大，且沒有對固定支架無附加的盲板力產生，減輕了土建設計的壓力。但是旋轉補償器在應用中，也常常因為配套的供熱管道的設計沒有符合要求而產生旋轉補償器壽命下降、達不到理想補償效果、損壞管道及支吊架等后果[1]。本文結合旋轉補償器廠家提供的選型和使用要求，基于CAESAR Ⅱ探討帶旋轉補償器供熱管道的設計要點。

1 旋轉補償器簡介及布置方式

旋轉補償器是一種先進的補償器，主要由緊固件、密封填料、滑動環、異徑管、旋轉筒等組成，其補償原理是通過成雙旋轉桶和管道力臂形成力偶，使力臂回繞著Z 軸中心旋轉，以實現力偶兩邊熱管道產生的熱脹量的吸收。

1）不產生內壓推力（或盲板推力）因而補償器兩端的固定支架可以做的很小，降低了投資成本。

2）在保溫時不必留出熱伸縮量，因而熱損失較小。

3）采用先進的密封材料，并有較合理的密封面結構，從而使密封材料和密封面的磨損極為輕微，使用壽命較長。

4）安全性能高，旋轉補償器筒體材料厚度大于管道壁厚，運行中可經受水擊破壞。

5）根據不同工程的實際地形和環境，擁有多種布置方式，如Π 型直線布置、Π 型平行布置、Ω 型直線布置、Ω 型平行布置等，補償能力可達到1 800 mm，1個旋轉補償器可代替數個套筒或波紋管補償器。

本文選取Π 型平行布置進行討論，這也是架空和埋地供熱管道中較常見的布置方式（見圖1、圖2）。

4.2.2 加工企業發展。膠州大白菜種植規模擴大，實行“訂單農業”的銷售模式。目前，膠州大白菜加工后的產品，從白菜汁、醬菜到鹽漬菜、泡菜等，其產品多種多樣。截至2017年底，膠州大白菜有8家年加工能力超過1000噸的企業。大白菜種子作為上游產業得到了較好的發展。

圖1 Π 型平行布置平面圖

圖2 Π 型平行布置立體圖

2 帶旋轉補償器供熱管道的設計要點

2.1 管道尺寸的設計

此種布置方式的旋轉補償器須沿位移反方向預偏裝補償量的1/2，這樣能使橫向位移量y1、y2減小。為防止附加彎矩的產生，管道的翻高高度H 應越小越好，建議管道彎頭與旋轉補償器直接焊接，不要再添加多余直段。

2.2 支吊架的設置

旋轉補償器從安裝態至運行態過程中，有橫向位移y1、y2，因此補償器兩側一定距離內不能設置導向支架，只能設置滑動支架或者吊架。位移較大時，支架需注意不要滑脫，吊架需注意吊桿偏移角度不超過4°[2]。

當進行長距離補償時，宜采用摩擦系數低的滑動支架或吊架形式，否則眾多支架的摩擦力疊加至固定支架上，會給土建設計帶來困難。對于大管徑的供熱管道，過多地使用吊架會使得管道穩定性大大下降，并不推薦。可以使用帶聚四氟乙烯減磨板的支架，聚四氟乙烯之間滑動摩擦系數為0.1，推薦在供熱管道的支架上使用。

2.3 管道布置注意事項

固定點至旋轉補償器之間，不能出現任何形式的自然補償和其他補償器，否則會導致旋轉補償器的補償量與設計值產生較大偏差，熱應力也有很大的超標風險。

旋轉補償器在管系中的位置一般來說沒有要求，可以放在固定點附近，也可以放在管系的中間，以現場實際情況來定。

3 運用CAESAR Ⅱ模型分析設計要點

CAESAR II 管道應力分析軟件是由美國COADE公司研發的壓力管道應力分析專業軟件。其既可以進行靜態分析，也可進行動態分析；擁有強大的3D 計算結果圖形分析功能、豐富的約束類型，對邊界條件提供最廣泛的支撐類型選擇、膨脹節庫和法蘭庫，并且允許用戶擴展自己的庫，在熱力管道設計中扮演著重要的角色。運用應力計算軟件CAESAR Ⅱ驗證并定量分析上述設計原則，為方便分析，引入一個工程實例，在此基礎上進行分析。

介質參數為蒸汽335 ℃、0.8 MPa；管道參數為20號鋼、Ф1219 mm×18 mm；旋轉補償器摩擦力矩為177.64 kN·m；補償距離L1=15 m，L2=105 m。運用CAESAR Ⅱ中的約束功能（Restraints）來模擬旋轉補償器，詳見圖3。

圖3 旋轉補償器的模擬方法

取翻高高度H=3.6 m，旋轉臂長L=3.85 m，所有支架的摩擦系數為0.1（采用雙面聚四氟乙烯），最近的導向支架位于L2段，距離旋轉補償器48 m（40 倍管道直徑），L1段不設置導向支架，L1和L2兩段均為直段。

此時CAESAR Ⅱ計算得到的運行工況受力情況詳見表1。在查詢模型后可以發現，熱態應力最大的點位于旋轉臂靠近L2側的彎頭處，將此組數據作為實驗組。

表1 初始條件下CAESAR Ⅱ計算結果

3.1 管道尺寸的設計

1）增大旋轉臂長L=5 m，此時CAESAR Ⅱ計算得到的運行工況受力情況詳見表2。與實驗組相比以下參數變化較大：L1段固定點水平力FX1從-109.374 kN減小為-88.438 kN，L2段固定點水平力FX2從160.178 kN 減小為137.825 kN，熱態應力最大處應力百分比從21.26%減小為18.98%。熱態應力最大的點位于旋轉臂靠近L2側的彎頭處。

表2 旋轉臂長增加時CAESAR Ⅱ計算結果

2）增大翻高高度H=5.6 m，此時CAESAR Ⅱ計算得到的運行工況受力情況詳見表3。以下參數變化較大：L1段固定點力矩MX1從44.878 kN·m 增大 為55.604 kN·m，L2段固定點力矩MX2從-20.942 kN·m增大為-25.33 kN·m，應力最大點的應力百分比從21.26%增大為30.54%。熱態應力最大的點仍然位于旋轉臂靠近L2側的彎頭處。

表3 翻高高度增加時CAESAR Ⅱ計算結果

結論：旋轉臂長L 的增加使管道的熱態應力條件變好，固定點受水平力減小；翻高高度H 的增加使管道的熱態應力狀況惡化，固定點力矩增大。因此在設計過程中采取的增長L，減小H 的做法是正確的。

3.2 支吊架的設置

1）導向支架設置于L2段，距離旋轉補償器12 m（10 倍管道直徑）處，L1段不設置導向支架，此時CAESAR Ⅱ計算得到的運行工況受力情況詳見表4（表4 中D 為管道直徑）。以下參數變化較大：L1段固定點力矩MX1從44.878 kN·m 增大為117.097 kN·m，MZ1從48.716 kN·m 增大為-463.196 kN·m。

表4 導向支架距離為10D 時CAESAR Ⅱ計算結果

2）支吊架采用鋼與鋼直接接觸，摩擦系數取0.3，此時CAESAR Ⅱ計算得到的運行工況受力情況詳見表5。以下參數變化較大：L1段固定點水平力FX1從-109.374 kN 增大為-142.536 kN，L2段固定點水平力FX2從160.178 kN 增大為295.331 kN。

表5 支架摩擦系數為0.3 時CAESAR Ⅱ計算結果

結論：導向支架離補償器太近會導致固定點力矩大幅上升，嚴重時會掀翻支架的土建結構；支架的摩擦系數越小越好，因為摩擦力會沿管道軸向累積體現到最近的固定點上，這在補償長度較長的管系中體現非常明顯。因此在設計過程中導向距離控制在40D 比較合適，支架與支墩之間需要用聚四氟乙烯減小摩擦系數。

3.3 管道布置注意事項

如圖3 所示，在L2段增加一段π 型彎，作為自然補償。此時CAESAR Ⅱ計算得到的運行工況受力情況詳見表6。導向支架設置在L2段，距離旋轉補償器33 m 處，此時CAESAR Ⅱ計算得到的運行工況受力情況詳見表6。以下參數變化較大：L1段固定點力矩MZ1從48.716 kN·m 增大為-114.512 kN·m，L2段固定點力矩MZ2從-3.154 kN·m 增大為178.675 kN·m。熱態應力最大處應力百分比從21.26%增大為53.58%，熱態應力最大的點位于π 型彎距旋轉補償器43 m 的彎頭處。

圖3 Π 型平行布置立體圖（增加自然補償）

表6 增加自然補償時CAESAR Ⅱ計算結果

在增加自然補償后，固定點力矩大幅增加，熱態應力狀況惡化，而且熱態應力最大點不再是旋轉補償器附近的彎頭，還是轉移到了自然補償彎的彎頭上，對于整個管系，補償量相當于被分割成兩部分，即被旋轉補償器和自然補償分別吸收了。這種布置主要有以下兩個問題：

1）導向支架的設置困難。由于π 型自然補償在兩側需要設置導向支架防止縱向彎曲，這很有可能會使得導向支架到旋轉補償器的距離偏離合理范圍，影響旋轉補償器的順暢運行，使得固定點力矩不同程度上升。

2）熱應力過大的風險。在上述實例中，可以看到，單獨使用旋轉補償器時，管系熱態應力最大處應力百分比為21.26%，而增加自然補償后，管系熱態應力最大處應力百分比為53.58%。在吸收大數值補償時，π型彎的補償能力遠遠不及旋轉補償器，而旋轉補償器又有一個很大的“啟動力矩”，管系在熱膨脹時會優先選擇柔性較好的π 型彎進行形變，這在小管徑管道中體現更為明顯。將管道直徑修改為Ф610 mm×11 mm，此管徑對應的旋轉補償器摩擦力矩為82.277 kN·m，此時CAESAR Ⅱ計算得到π 型彎彎頭處應力為101.71%，應力超標。

圖4 增加自然補償并且管徑為Ф610 mm×11 mm 時的應力值

取補償距離：L1=60 m，L2=60 m，即將旋轉補償器放置到管系中央位置，L1、L2段導向支架均距離旋轉補償器48 m（40 倍管道直徑），L1和L2兩段均為直段。以下參數變化較大：L1段固定點力FX1從-109.374 kN 增大為-140.111 kN·m，L2段固定點力FX2從160.178 kN 減小為128.6 kN。

結論：固定點至旋轉補償器之間，不允許設置自然補償。在帶旋轉補償器的供熱管道中，自然補償往往是多此一舉，沒有必要浪費材料和空間去設置自然補償。實際工程中，供熱管道可能因為避讓設備和重要管道的需要出現自然補償，此時可以增加固定點，將旋轉補償器和自然補償隔開。

旋轉補償器在管系中的位置影響到兩端固定點的受力，在一端受力增大時，另一端受力就會減小，呈此消彼長的關系，一般來說，除非土建設計困難，沒有必要專門調整兩端固定點的受力，旋轉補償器的位置還是應該根據現場實際情況來確定，做到安全、美觀、不擋通道。

表7 旋轉補償器位置整體移動時CAESAR Ⅱ計算結果