蒸汽管道的热补偿设计案例

蒸汽管道的热补偿设计案例

杜菲 高玲琴 袁晓伟

内蒙古北方重工业集团有限公司 内蒙古 包头市 014030

[摘要]以某新建项目的蒸汽管道设计为例，对蒸汽管道的热补偿设计，如热伸长量计算、补偿器选型与计算给出了具体的分析与计算。为解决蒸汽管道的热补偿问题提供了思路。

[关键词]蒸汽管道；自然补偿；补偿器；案例

蒸汽是工业生产公用工程中的一种专用介质，利用燃烧天然气等化石燃料燃烧产生的热量对锅炉进行加热后通过控制压力使水蒸发得到饱和蒸汽或者过热蒸汽，因此，蒸汽管道一般均承受压力和温度的影响。蒸汽管道由于长期运行容易产生受热膨胀支吊架失稳，蒸汽管托产生热位移造成支架脱空,引起整个系统受力的变化，造成局部应力过大，产生破坏；而高温蒸汽管道使用的材料一般为合金钢，运行时的高温容易使其产生蠕变、内部球化、石墨化等材料劣化现象，造成疲劳破坏。

因此对蒸汽管道进行柔性设计具有极其重要的意义，对管道系统进行热补偿计算和核算，确定补偿量、补偿方式，保障蒸汽管道运行的准确性和可靠性。

1、工程概况

某新建项目引入蒸汽管道，该蒸汽管道管径DN300，接自蒸汽锅炉房，现需对此管道进行设计。

2、管道条件输入

管径 ：DN300 ；

蒸汽品质 ：过热饱和蒸汽，0.8MPa，200 ℃ ；

管道材质 ：20# 无缝钢管 ；

管道路径及具体尺寸见和图 2。

图 1管道走向示意图 图2 固定点设置示意图

3、热伸长量计算

管道热伸长量计算公式 ：

△ L=Lα（t 2 -t 1 ）

式中：△ L—管道热伸长量（cm）；L—计算管长（m）；

α—管道的线膨胀系数 [cm /(m ·℃ )] ；t 1 —管道内介质温度（℃）；t 2 —管道设计安装温度（℃），可取用 20 ℃。查《动力管道设计手册》表 6-1，知 200 ℃时，20#

钢管的线膨胀系数为 12.12×10 -4 cm/(m ·℃ )，又已知L=458 m，t 1 =200℃，则每 100 m 管道的热伸长量为△L=Lα（t 2 -t 1 ）=100×12.12×10 ^-4×（200-20）= 21.82 cm。

4、管道热补偿设计

管道热补偿方法有：①利用管道自身弯曲的自然补偿；②采用补偿器。优先考虑利用管道自身弯曲作自然补偿。由图 1 可知，此管道总长458 m，最长直管段EF段168 m，计算可得总热伸长量达到99.94 cm，EF段热伸长量为36.66 cm，根据《动力管道设计手册》图 6-10 [1]可知，DN300 管道要设置焊接弯矩形补偿器，其补偿器高度和宽度超过厂区可安装补偿器的空间位置，要在直管段上设置π弯不太现实。因此本设计考虑采用自然弯曲补偿和补偿器相结合，解决空间不够的问题。

5、补偿器的选型

常见的补偿器有：波纹管补偿器、套筒式补偿器、球型补偿器、旋转式补偿器。波纹补偿器对固定支架推力大，从而造成管架造价高；波纹补偿器管壁较薄不能承受扭力、振动，安全性差；设备投资高、设计要求严、施工安装精度高、往往达不到预期寿命。

套筒补偿器能够承受较高的压力和温度，补偿量大，安装方便，但是容易泄漏，检修频繁、推力大。

球形补偿器结构紧凑、补偿量大、流动阻力小，球型补偿器的密封面是球面很难机加工，密封困难。

旋转式补偿器是一种新型的补偿器。主要用于架空敷设的蒸汽和热水管道，介质设计温度 -60~485 ℃，设计压力 0~5.0 MPa，补偿量可达 1.8 m。安装在热力管道上需要两个或三个成组布置，形成相对旋转吸收管道热位移，从而减少管道应力。由于其密封性好，补偿量大，容易布置，安装方便，长期运行不需维护，不产生盲板力，管道压降小，节约工程投资等优越性能，近年来被各行业广泛使用。因此本设计拟选用旋转式补偿器，并以《动力管道设计手册》中介绍的 GSJ-V 型系列为例进行选型。

6、固定点的设置

旋转补偿器在管道上一般按 200~500 m 安装一组（可根据自然地形确定），有十多种安装形式，可根据管道的走向确定布置形式。采用该型补偿器后，固定支架间距增大。

根据本管道的走向和固定点的设置原则，初步确定自然补偿段固定点间距为50 m 左右，旋转补偿器段固定点可以更长，整个管道需设置7个固定点。综合考虑，本设计设置7个固定点 A、A1、C1、C2、D1、E1、F，将管道分隔成六段，详见图 2。AA1、C1C2、E1F段比较长，可以采用旋转式补偿器吸收本段热应力；A1C1、 C2D1、D1F段利用管道自然弯曲来补偿管道的热伸长。

图3 Π型立面和平面

L

旋转筒

热胀方向

热胀方向

H

旋转角度

O

X

Y

Z

图4 Π型组合补偿器立体图

θ

Y

Y

X

O

热

胀

开

始

热

胀

结

束

Y

图5 Π型组合补偿器平面图

一般情况是根据自然地形、补偿量的大小和安装条

件许可的情况下 L 尽量选择大一点。L 选在3~6 m 范围内为宜，本设计 L 选定为 3 m。Π型组合式补偿器高 H= 旋转筒长＋ 2×1.5DN，根据《动力管道设计手册》表 6-22、表 6-23、表 6-24、表 6-25 可知 H=1250 mm，导向支架的间距为 80 m，补偿器两侧导向支架离补偿器的距离需25＞、＜ 30m，摩擦角θ选定为 15°。Π组合补偿器的一端补偿量△L=0.707L 1-cosθ=0.7071×3 ×0.1846=0.3916m。则两固定架之间的总的补偿量为 2△L=0.783m＞△L _AA1，本管段补偿能力满足要求。

综上，本管道设计补偿量满足管道热伸长量。

参考文献

[1] 《动力管道设计手册》编写组编 . 动力管道设计手册 [M].机械工业出版社，2006.

作者简介：

杜菲，1985.6，女，汉族，内蒙古包头市，工程师，本科，暖通空调与给排水方向 

高玲琴，1984.9，女，汉族，河南省焦作市，高级工程师，研究生，暖通与给排水方向。

袁晓伟，1985.6，男，汉族，山西省大同市，工程师，本科，工程管理方向