热力管道中补偿器的选用及特点

热力管道中补偿器的选用及特点

苏克磊张志远

淄博市规划设计院

常用的补偿器有方形补偿器、波纹补偿器、球形补偿器、无推力旋转补偿器；无推力旋转补偿器作为一种新型的补偿器，已在诸多工程上得到应用。本文结合具体工程，浅谈各种补偿器在架空蒸汽管道上的应用及特点。

一、工程概况

由中碳能源公司至新兴热电厂，室外架空蒸汽管线，管径DN300，设计参数为2.5MPa，230℃，属压力管道GC2类；蒸汽管线总长度约为1500m。

二、补偿器的类型、特点及选用

①方形补偿器

方形补偿器是热力管道设计中最广泛的一种形式。

其优点：对热伸长量补偿能力大，作用在固定支座上轴向应力小，安全性能高，维护费用少；

其缺点：尺寸大，占地面积大，对介质流动助力大，补偿器变形时，两端的法兰及管道受到弯曲，易产生疲劳破坏且会产生轴向位移。

选用原则：方形补偿器按其外形可分为Ⅰ型－标准式（c＝2h），Ⅱ型－等边式（c＝h），Ⅲ型—长臂式（c＝0.5h），Ⅳ型－小顶式（c＝0），其中Ⅱ型、Ⅲ型最为常用。制作方形补偿器必须选用质量好的无缝钢管揻制而成，整个补偿器最好用一根管子揻成，如果制作大规格的补偿器也可用两根弯管或三根弯管焊制，方形补偿器不宜用冲压弯头焊制而成。焊制方形补偿器的焊接点应放在外伸臂的中点处，因为此处的弯矩最小，严禁在补偿器的水平臂上焊接。焊制方形补偿器时，当DN≤200mm时，焊缝与外伸臂垂直，当DN＞200mm时，焊缝与轴线成45°角。

本工程管道总长1500m，每60米设1个方形补偿器，共需设置25个方形补偿器，方形补偿器的外伸臂长达10m，每个补偿器按4个弯头计算，共计增加100个弯头，500m管道。

②套筒补偿器

套筒补偿器的活动套管可沿管道产生轴向位移。

其优点：结构紧凑，占地面积小，补偿能力大，一般补偿量可达250~400mm；对介质产生的阻力比方形补偿器小。

其缺点：补偿器在轴向产生的推力大，填料需经常更换和检修，易发生泄漏，对管道支座的设计和安装要求高，若管道在运行过程中产生锈蚀和结垢，都有可能产生补偿器失效。

选用原则：套筒补偿器一般用于管径大于100mm，工作压力小于1.6Mpa，安装位置受到限制的热力管上；套筒补偿器不宜使用于不通行地沟之中；单向套筒补偿器应安装在固定支架近旁的平直管段上，在其活动侧设导向支架，双向套筒补偿器设在固定支架中间，套管须固定，补偿器工作极限界限应有明显的标记。

本工程管道工作压力2.5Mpa>1.6Mpa,不适合本工程。

③波纹补偿器

波纹（波形）补偿器（又称膨胀节），由一个或几个波纹管及结构件组成，用来吸收由于热胀冷缩等原因引起的管道或设备尺寸变化的装置。

其优点：具有结构紧凑、承压能力高、工作性能好，配管简单、耐腐蚀、支架费用低、维修方便。

其缺点：补偿能力较小（一般一个仅为10~20mm），为了提高补偿能力可将数个串联在一起，但这样易产生侧向弯曲应力而使两端过载。串联个数一般为4~6个，不能超过8个。

选用原则：选用波纹补偿器时应考虑预拉伸量50%，安装和订货时应提出要求；在任意直管段上两固定支架之间只能安装一套波纹补偿器；轴向型波纹补偿器一端应布置在靠近固定支架处，另一端应安设直线导向管架。

本工程管道工作压力2.5Mpa,管道总长1500m，波纹补偿器75m一个，共需20个。由于一般情况下波纹补偿器的工作压力≤1.6Mpa，2.5Mpa时需特殊订货。

④球形补偿器

球形补偿器的结构主要由球体与密封装置等元件组成，安装在热力管道上受热后以球体回转中心自由转动，吸收管道热位移，从而减少管道之应力。

其优点：补偿能力大，占据空间小，流动阻力小，安装方便，投资省等。

其缺点：存在侧向位移，易泄漏，要求加强维修。

选用原则：1）球形补偿器在球道上一般距离400~500m安装一组，安装形式有水平、垂直、倾斜等。2）采用该型补偿器后，固定支架间距增大，为避免管段挠曲，应适当增设导向支架，同时，为减少管段运行的摩擦阻力，在导向支架上应安放滚动支座。3）垂直安装时，球体外露部分必须向下安装，以防污物堵塞而造成球体磨损。

本工程管道工作压力2.5Mpa,管道总长1500m，球形补偿器共需要5个；适用于本工程的球形补偿器的加工工艺非常复杂，国内生产厂家较少，供货周期较长，价格较高，严重制约了工程进度。

⑤无推力旋转式补偿器

无推力旋转补偿器是热力管道热膨胀器方面的一种新型补偿器，其构造主要有整体密闭座、密闭封盖、大小头、减磨定心轴承、密封材料、旋转筒体等构件组成，安装在热力管道上需两个以上组对成组，形成相对旋转吸收管道热位移，从而减少管道之应力。

其优点：补偿量大，可根据自然地形及管道强度不知，最大一组补偿器可补偿500m管段；不产生由介质压力产生的盲板力，固定支座可做的很小，特别适用于大口径管道；密封性能优于，长期运行可不需维护；节约投资；

选型：1)选用低压管道补偿器：压力0~1.6Mpa，温度-60~330℃；2)选用中压管道补偿器：压力1.6~2.5Mpa，温度-60~440℃；3)选用高压管道补偿器：压力2.5~5.0Mpa，温度-60~485℃；

动作原理、布置方式：

旋转补偿器通过成双旋转筒和L力臂形成力偶，使大小相等、方向相反的一对力，由力臂回绕着z轴中心旋转，以吸收力偶两边热管边产生的热胀量。

П型组合旋转式补偿器如图1、图2所示。

当补偿器安装于2个固定支架中间时，热管运行时的两端有相同的热胀量和相同的热胀推力，将力偶回绕着O中心旋转了θ角，以吸收两端方向相对、大小相同的热胀量△。△=L·sin(θ/2)，2个固定支架之间的总的补偿量为2△。

当补偿器不被安装在2个固定支架中心，而偏向热管较短的一端，在运行时的力偶臂L的中心O偏向较短的一端回绕来吸收两端方向相对、大小不等的膨胀量△1，△2。

长臂热管道的热胀量△l=2L1sin(θ/2)，短臂热管道的热胀量△2=2(L-L1)sin(θ/2)，则2个固定支架之间的总的补偿量为△1+△2。

此类补偿器的布置和球形补偿器类似，当吸收热膨胀量时，在力偶臂旋转至θ/2时出现热管道发生最大的摆动Y值。

该补偿器适应性较广，对平行路径、转角路径和直线路径及地埋过渡至架空均可布置。

本工程管道工作压力2.5Mpa,管道总长1500m，旋转补偿器共需要8组，弯头总数46个；由于旋转补偿器已经在化工管道中得到一定程度的应用，与球形补偿器相比：供货周期短，价格低。

综上所述：适用于本工程补偿器为方形补偿器、波形补偿器、旋转补偿器。

三、经济比较

根据上述测算表，从经济总投资比较看：选用旋转补偿器比选用方形补偿器节约13.25%，比选用波纹管补偿器节约6.85%。由此可见，选用旋转补偿器最为经济划算。

四、结论

旋转补偿器与方形补偿器、波纹补偿器相比，在高压力、长距离方面具有明显优势，不仅能够节约资金，管网的安全性也得到极大提高。

参考文献：

[1]《动力管道设计手册》机械工业出版社2006年

[2]《工业金属管道设计规范》GB50316-2008

[3]《工业金属管道工程施工规范》GB50235-2010