王榮剛

(山西新唐工程設(shè)計有限公司，山西太原 030006)

1 簡述

近年來，隨著國家城鎮(zhèn)化的迅猛發(fā)展，各地方公共基礎(chǔ)建設(shè)也在飛速發(fā)展，全國各地，尤其是“三北”地區(qū)，城市集中供熱需求也在呈現(xiàn)高增長的態(tài)勢。因此，供熱設(shè)施建設(shè)也在迅速擴張。

在供熱管網(wǎng)的建設(shè)當中，管網(wǎng)的設(shè)計非常重要。熱力管道設(shè)計時必須重視管道熱脹冷縮的問題。為使管道在熱狀態(tài)下安全和穩(wěn)定，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)考慮補償。

2 補償器

熱力管道的補償方式有兩種:利用管道自身彎曲的自然補償和補償器補償。

2．1 自然補償

自然補償就是利用管道本身自然彎曲所具有的彈性，來吸收管道的熱變形。管道彈性，是指管道在應(yīng)力作用下產(chǎn)生彈性變形，幾何形狀發(fā)生改變，應(yīng)力消失后，又能恢復(fù)原狀的能力。實踐證明，當彎管角度大于30°時，能用作自然補償，管子彎曲角度小于30°時，不能用作自然補償。自然補償?shù)墓艿篱L度一般為15m～25 m，彎曲應(yīng)力σbw不應(yīng)超過80 MPa。

管道工程中常用的自然補償有:L形補償和Z形補償。

2．2 補償器補償

熱力管道自然補償不能滿足，應(yīng)在管路上加設(shè)補償器來補償管道的熱變形量。補償器是設(shè)置在管道上吸收管道熱脹冷縮和其他位移的元件。常用的補償器有方形補償器、波紋管補償器、套筒補償器、球形補償器和旋轉(zhuǎn)補償器。

1)方形補償器。方形補償器是采用專門加工成U形的連續(xù)彎管來吸收管道熱變形的元件。這種補償器是利用彎管的彈性來吸收管道的熱變形，從其工作原理看，方形補償器補償屬于管道彈性熱補償。

2)波紋管補償器。波紋管補償器又稱波紋管膨脹節(jié)，由一個或幾個波紋管及結(jié)構(gòu)件組成，用來吸收由于熱脹冷縮等原因引起的管道或設(shè)備尺寸變化的裝置。波紋管補償器具有結(jié)構(gòu)緊湊、承壓能力高、工作性能好、配管簡單、耐腐蝕、維修方便等優(yōu)點。

3)套筒式補償器。套筒式補償器又稱填料式補償器，它由套管、插管和密封填料三部分組成，它是靠插管和套管的相對運動來補償管道的熱變形量的。套筒式補償器按殼體的材料不同分為鑄鐵制和鋼制兩種，按套筒的結(jié)構(gòu)分為單向套筒和雙向套筒，按連接方式的不同分為螺紋連接，法蘭連接和焊接。

4)球形補償器。球形補償器是利用補償器的活動球形部分角向轉(zhuǎn)彎來補償管道的熱變形，它允許管子在一定范圍內(nèi)相對轉(zhuǎn)動，因而兩直管可以不在一條直線上。

3 免維護旋轉(zhuǎn)補償器的使用特點

免維護旋轉(zhuǎn)補償器是近十幾年才發(fā)展起來的新型補償器，其構(gòu)造主要由整體密封座、密封壓蓋、大小頭、減磨定心軸承、密封材料、旋轉(zhuǎn)筒體等構(gòu)件組成，安裝在熱力管道上需兩個以上組對成組，形成相對旋轉(zhuǎn)吸收管道熱位移，從而減少管道上的應(yīng)力。

3．1 免維護旋轉(zhuǎn)補償器的特點

1)免維護旋轉(zhuǎn)補償器補償量很大，在管線使用中，最典型的安裝方法有兩種組合(∏形和 Ω形)，其中Ω形組合用于直管段時，雙向補償量可達1 800 mm(其他形式補償器無可比擬)，一組補償器可代替多個波紋補償器或套筒補償器。

2)免維護旋轉(zhuǎn)補償器在管道補償時，不會產(chǎn)生盲板力或內(nèi)壓推力，不存在失穩(wěn)、水錘現(xiàn)象，實踐表明，在外管設(shè)計時它的推力可忽略不計，對于管道兩頭的固定支架作用很小，因此固定支架和混凝土座基可以做得小一些，大大降低工程成本。

3)免維護旋轉(zhuǎn)補償器采用獨特的密封技術(shù)和國內(nèi)最先進的密封材料，由于運行方式的不同，旋轉(zhuǎn)筒體與密封材料磨損極小，所以不存在泄漏現(xiàn)象，十五年之內(nèi)不需裝密封材料。

4)其他形式補償器由于補償能力小，布置點多，安全性能差，維修不方便，尤其使用在城市地下管網(wǎng)，危險性大，實踐證明，選擇免維護旋轉(zhuǎn)補償器可以長距離鋪設(shè)管網(wǎng)(1 000 mm內(nèi)無需設(shè)補償器)，補償器使用數(shù)量及維修很少，管道泄漏點很少，流體阻力降低，壓損降低，運行成本降低，據(jù)測算，其工程造價可降低20%～30%。

5)維修方便:實現(xiàn)在不停氣的情況可帶溫、帶壓進行檢修。

6)設(shè)計方便:當熱力管網(wǎng)中的軸向位移或軸向推力較大，以及管網(wǎng)結(jié)構(gòu)走向需要調(diào)整時，應(yīng)用多只組成立體管道結(jié)構(gòu)，可獲得較大的補償量和平衡能力，也可根據(jù)管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)改變管道的走向，只要計算其摩擦力即可。

3．2 動作原理

旋轉(zhuǎn)式補償器的補償原理，是通過雙旋轉(zhuǎn)筒和L力臂形成力偶，使大小相等，方向相反的一對力，由力臂圍繞著Z軸中心旋轉(zhuǎn)，以達到力臂兩邊熱管邊產(chǎn)生的熱膨脹量的吸收:

1)∏形組合旋轉(zhuǎn)式補償器(見圖1，圖2)。

當補償器布置于兩固定支架之間時，則熱管運行時的兩端有相同的熱膨脹量和相同的熱脹量和相同的熱脹推力，將力偶回繞著O中心旋轉(zhuǎn)了θ角，以達到吸收兩端方向相對、大小相同的熱脹量Δ。

當補償器的布置不在兩固定支架中心，而偏向熱管較短的一端，在運行時的力偶臂L的中心O偏向較短的一端回繞來吸收兩端方向相對、大小不等的膨脹量Δ1，Δ2。

圖1 ∏形組合補償器立體圖（平行布置）

圖2 ∏形組合補償器平面圖

雖然吸收熱脹隨著轉(zhuǎn)角θ或力偶臂L的加大而增加，但為了限制y擺動過大，對θ值不超過表4的推薦值，L選在15 m～3 m范圍內(nèi)為宜。

該補償器適應(yīng)性較廣，對平行路徑(見圖1)、轉(zhuǎn)角路徑及地下過渡至架空，均可布置。

2)Ω形組合旋轉(zhuǎn)式補償器(見圖3，圖4)。

圖3 Ω形組合補償器立體圖（平行布置）

圖4 Ω形組合補償器正面圖（直線布置）

Ω形組合旋轉(zhuǎn)式補償器，主要用在熱管道的直管段。它在熱管道兩側(cè)對稱布置，由力偶臂L和成對的旋轉(zhuǎn)筒組成Ω形狀的兩對，依靠兩固定支架間的熱管道，相對指向補償器的熱脹力推動兩對力偶同步旋轉(zhuǎn)，如圖4所示的θ角和B間距由大變小，以達到吸收最大的熱脹量Δmax=Bmax－Bmin。

3．3 選形要點

1)∏形組合式補償器高H=旋轉(zhuǎn)筒長+2×1．5DN，Ω形組合式補償器寬=2×(旋轉(zhuǎn)筒長+2×1．5DN)，見表1。

表1 H尺寸 mm

2)旋轉(zhuǎn)補償器是一種全新的補償裝置，它的補償能力特別大，為此當使用本補償器進行長距離補償時可按表2設(shè)置導(dǎo)向支柱。

反思階段涵蓋了STEAM教育中的五門學(xué)科，實現(xiàn)學(xué)生核心素養(yǎng)的融合發(fā)展。教師引導(dǎo)學(xué)生思考發(fā)現(xiàn)了什么？學(xué)到了什么？用了什么科學(xué)原理？使用了哪種工具？表達對本次課程所涉及知識的觀點，分享對本次課程最感興趣的地方。學(xué)生鞏固知識，完善了認知結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)了批判質(zhì)疑精神、勤于反思精神以及實踐創(chuàng)新精神，從文化基礎(chǔ)、自主發(fā)展、社會參與三大方面發(fā)展六大核心素養(yǎng)。

表2 長距離補償時導(dǎo)向支柱的間距

3)由于∏形組合式補償器進行補償時有橫向擺動，故兩側(cè)一定距離內(nèi)不準設(shè)置導(dǎo)向支架(見表3)。

表3 補償器兩側(cè)導(dǎo)向支架離補償器的距離 m

4)θ的大小直接影響密封材料的使用壽命，管子直徑越大時，θ應(yīng)越小，因此規(guī)定了它的極大值(見表4)，希望算出θ值不超過極大值。

表4 摩擦角θ的極大值

5)∏形組合式補償器的補償量Δ的確定(見圖2)。

a．當∏形組合式補償器安裝于兩固定支柱之中時，其中任一端的補償量Δ=0．707 1L。

b．兩固定支架間的總補償量為2Δ。

c．兩固定支架之間的∏形組合式補償器偏裝于某一固定支架且短臂熱管為長臂的1/2時(長短臂熱管要求Δ2=L2/L1Δ1)，長臂熱管的熱脹量Δ1=0．707 1，短臂熱管的熱脹量Δ2=0．5Δ1。

6)Ω形組合中的力偶臂L及安裝時B尺寸的確定(見圖4)。

力偶臂L:

安裝時B:

最大補償量:Δmax=BmaxBmin。

確保 Bmin≥Dw+2xδ+100 ～200;Bmax≥Bmin+Δmax。

其中，Dw為供熱管外徑;δ為保溫厚。

7)旋轉(zhuǎn)力偶的摩擦力矩及其推力。

推動力偶的轉(zhuǎn)動，必須克服一對旋轉(zhuǎn)筒的摩擦力矩。蒸汽溫度對合金密封填料的膨脹系數(shù)略比鋼材高，在其附加緊力造成的附加力矩不予考慮的情況下，確定其摩擦力矩。

合金密封填料箱內(nèi)摩擦力矩Mk1，抗盲板力的摩擦力矩Mk2，熱管道在運行情況下的一對旋轉(zhuǎn)筒的總摩擦力矩為:Mk=1．2(Mk1+Mk2)Ncm。

∏形組合旋轉(zhuǎn)補償器的力偶臂L一般取1．5 m～6 m，特殊情況可以更長。力偶臂必須和一對大小相等、方向相反的力相互垂直，所以在熱膨脹過程中，要使力偶旋轉(zhuǎn)的力P由下式確定:

Ω形組合旋轉(zhuǎn)補償器的力偶由三只旋轉(zhuǎn)筒左右兩個L組成雙力偶。L臂長計算見6)，L長度的計算值為最小值，可適當放大(減小θ角)，以減少膨脹時的推力。

3．4 安裝方式

免維護旋轉(zhuǎn)補償器有多種安裝方式，有同軸補償、高轉(zhuǎn)低補償、直角補償?shù)?，可實現(xiàn)多種安裝位置，只需要有一定的安裝距離即可。

4 應(yīng)用

目前，免維護旋轉(zhuǎn)補償器已經(jīng)應(yīng)用到生產(chǎn)生活的多個領(lǐng)域中，既有普通熱水管道，又有蒸汽管道，甚至高壓型補償器已用到高壓蒸汽管道上，既可以架空、地溝使用，也可以直埋使用。免維護旋轉(zhuǎn)補償器的安裝方式多種多樣，同時可以組合使用，需根據(jù)工程各自的情況具體確定。

5 結(jié)語

免維護旋轉(zhuǎn)補償器在熱力管道補償方面具有相當?shù)膬?yōu)勢，尤其是運用到蒸汽輸送管線上，具有無法比擬的優(yōu)勢。我相信，隨著其不斷完善和發(fā)展，將來前景必然會更加廣闊，會更好地服務(wù)于人們。

［1］施振球．動力管道設(shè)計手冊［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2006．

［2］徐 力．旋轉(zhuǎn)補償器在架空蒸汽管網(wǎng)中的設(shè)計及應(yīng)用［J］．河南科技，2011(12):8-9．

［3］胡良余．旋轉(zhuǎn)補償器在熱網(wǎng)工程中的應(yīng)用［J］．能源工程，2007(4):3-5．

［4］梁 豐，高百爭．旋轉(zhuǎn)補償器一些布置方法的幾何性質(zhì)［J］．區(qū)域供熱，2010(4):30-32．

［5］李善華，康 慧．實用集中供熱手冊［M］．北京:中國電力出版社，2006．