蔡欣

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 秦皇島市 066001）

0 引言

玻璃、水泥等行業(yè)的動(dòng)力管道設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮管道的熱脹冷縮問題。為使管道在熱狀態(tài)下穩(wěn)定和安全，并減少管道熱脹冷縮時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力，管道受熱時(shí)的熱伸長(zhǎng)量應(yīng)預(yù)以補(bǔ)償（吸收）。

1 補(bǔ)償器分類

動(dòng)力管道的補(bǔ)償可采用自然補(bǔ)償和利用補(bǔ)償器補(bǔ)償兩種方式。自然補(bǔ)償即利用管道布量的自然彎曲和扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生變形來吸收管道的熱伸長(zhǎng)，以消除管道的熱應(yīng)力，動(dòng)力管道的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用自然補(bǔ)償，當(dāng)自然補(bǔ)償無法滿足補(bǔ)償要求時(shí)，可設(shè)置補(bǔ)償器進(jìn)行熱補(bǔ)償。補(bǔ)償器類型有方形補(bǔ)償器、波紋補(bǔ)償器、套筒補(bǔ)償器、球形補(bǔ)償器等。選擇補(bǔ)償器時(shí)，應(yīng)根據(jù)敷設(shè)條件，采用維修工作量小、工作可靠、價(jià)格相對(duì)合理的補(bǔ)償器。

1.1 管道的自然補(bǔ)償

在實(shí)際工程中，管道的走向常常出現(xiàn)L形直角彎、Z字形折角彎及空間立體彎等典型管段，自然補(bǔ)償就是利用這種管道自身的彎曲（柔性）來補(bǔ)償管道的熱伸長(zhǎng)。

1.2 管道的補(bǔ)償器補(bǔ)償

1.2.1 波紋補(bǔ)償器補(bǔ)償

在實(shí)際工程中部分動(dòng)力管道很難用自然補(bǔ)償方法來吸收其熱脹位移，或者用自然補(bǔ)償法不經(jīng)濟(jì)等情況，應(yīng)考慮使用波紋補(bǔ)償器。波紋補(bǔ)償器，也叫膨脹節(jié)或伸縮節(jié)，由構(gòu)成其工作主體的波紋管（一種彈性元件）和端管、支架、法蘭、導(dǎo)管等附件組成。用于壓力不太高的動(dòng)力管道中，能夠補(bǔ)償管道的熱位移，機(jī)械變形和吸收各種機(jī)械振動(dòng)，起到降低管道變形應(yīng)力和提高管道使用壽命的作用。

波紋補(bǔ)償器按連接方式分為法蘭連接和焊接2種；按膨脹節(jié)自身能否承受壓力推力將膨脹節(jié)分為非約束型和約束2種型式，非約束型膨脹節(jié)自身不能承受壓力推力，約束型膨脹節(jié)自身能承受壓力推力；按照吸收位移類型分為軸向型、角向型、橫向型和萬向型4種型式。波紋補(bǔ)償器波紋管材質(zhì)一般為奧氏體不銹鋼，如SUS304、SUS321、SUS316和SUS316L。

1.2.2 方形補(bǔ)償器補(bǔ)償

方形補(bǔ)償器由管子彎制或由彎頭組焊而成，利用剛性較小的回折管撓性變形來補(bǔ)償兩端直管部分的熱伸長(zhǎng)量。其優(yōu)點(diǎn)是制造方便，補(bǔ)償能力大，軸向推力小，維修方便，運(yùn)行可靠；缺點(diǎn)是占地面積較大，介質(zhì)流動(dòng)阻力較大。但方形補(bǔ)償器由于其穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，是工程中使用最廣泛、結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的補(bǔ)償器。

1.2.3 套筒補(bǔ)償器補(bǔ)償

套筒補(bǔ)償器稱管式伸縮節(jié)，是熱流體管道的補(bǔ)償裝置，主要用于直線管道敷設(shè)后出現(xiàn)的軸向熱膨脹位移吸收補(bǔ)償，是一種直接安裝在任何輸送無腐蝕的單向或多向流體的管道之中的補(bǔ)償器，主要有套筒（芯管）、外殼、密封材料等組成，用于補(bǔ)償管道的軸向伸縮及任意角度的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。具有體積小、補(bǔ)償量大的特點(diǎn)，適用于熱水、蒸汽、油脂類介質(zhì)，通過滑動(dòng)套筒對(duì)外套筒的滑移運(yùn)動(dòng)，達(dá)到熱膨脹的補(bǔ)償。套筒補(bǔ)償器的缺點(diǎn)是容易泄露，維護(hù)工作量大，且固定推力較大，因而逐漸較少采用。

1.2.4 球形補(bǔ)償器補(bǔ)償

球形補(bǔ)償器主要依靠球體的角位移來吸收或補(bǔ)償管道一個(gè)或多個(gè)方向上橫向位移，該補(bǔ)償器應(yīng)成對(duì)使用，單臺(tái)使用沒有補(bǔ)償能力，但它可作管道萬向接頭使用。球形補(bǔ)償器補(bǔ)償能力大，適宜長(zhǎng)距離管道采用，但易于泄露的缺陷始終未被廣泛應(yīng)用。

2 管道熱補(bǔ)償?shù)挠?jì)算

設(shè)置熱補(bǔ)償器的目的，就是為了吸收管道熱膨脹量，而不會(huì)損壞與管道連接的設(shè)備及管道本體等。為使動(dòng)力管道位移在合理范圍內(nèi)，應(yīng)根據(jù)管徑、管道敷設(shè)方式、管道補(bǔ)償器的類型等，設(shè)置管道固定支架以及管道補(bǔ)償器，均勻分配動(dòng)力管道的熱伸長(zhǎng)量，保證熱力管道、熱補(bǔ)償器安全可靠地工作。

本文主要就常用的自然補(bǔ)償器、方形補(bǔ)償器以及波紋補(bǔ)償器進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算說明。

2.1 管道熱伸長(zhǎng)量

管道熱伸長(zhǎng)量按下式計(jì)算：

式中：DL—熱伸長(zhǎng)量，cm；

a—管材的線膨脹系數(shù)，cm/（m·℃），

見表1；

L—計(jì)算管道的長(zhǎng)度，m；

t2—管內(nèi)介質(zhì)溫度，℃；

t1—管道安裝溫度，℃。

表1 常用鋼材的線膨脹系數(shù) /×10-4cm·m-1· ℃-1

2.2 管道自然補(bǔ)償器的計(jì)算

當(dāng)彎管轉(zhuǎn)角小于150°時(shí)，該彎管具有自然補(bǔ)償能力，能用作自然補(bǔ)償；大于150°時(shí)，該彎管不具有自然補(bǔ)償能力，不能用作自然補(bǔ)償。自然補(bǔ)償?shù)墓艿辣坶L(zhǎng)不應(yīng)超過20～25 m。彎角處的應(yīng)力不應(yīng)超過［s］＝78.48 MPa。

自然補(bǔ)償器包括： L形補(bǔ)償器、Z形補(bǔ)償器和空間補(bǔ)償器。

①l型直角彎補(bǔ)償器如圖1所示，其短臂長(zhǎng)度l的計(jì)算公式為：

式中：l—計(jì)算管道短臂長(zhǎng)度，m；

DL—長(zhǎng)臂L的熱伸長(zhǎng)量，mm；

D—管道外徑，mm。

圖1 L型補(bǔ)償器

② Z型補(bǔ)償器如圖2所示，其短臂長(zhǎng)度l的計(jì)算公式為：

式中：l—計(jì)算管道垂直臂長(zhǎng)度，m；

Dt—計(jì)算溫差，mm；

E—管道材料的彈性模量，MPa；

D—管道外徑，mm；

［s］—管道材料的許用應(yīng)力，MPa；

K—L1/L2，L1為長(zhǎng)臂長(zhǎng)度，L2為短臂長(zhǎng)度。

圖2 Z型補(bǔ)償器

③空間補(bǔ)償器如圖3所示。

圖3 空間補(bǔ)償器

固定支架之間，其空間補(bǔ)償能力能否滿足要求，可按下式進(jìn)行驗(yàn)算：

式中：D—管道外徑， mm；

DL—管道三個(gè)方向熱伸長(zhǎng)量的向量總和，cm；

L—管道展開總長(zhǎng)度，m；

U—管道兩端固定點(diǎn)之間的直線距離，m。

式（4）使用條件：①一根管道、管材管徑一致；②兩端必須是固定點(diǎn)；③中間無限位支吊架；④無分支管。

2.3 方形補(bǔ)償器的計(jì)算

方形補(bǔ)償器是動(dòng)力管道設(shè)計(jì)中最常用的一種補(bǔ)償器，由4個(gè)90°彎頭組成，見圖4。兩固定支架之間，應(yīng)按照熱伸長(zhǎng)量計(jì)算公式，計(jì)算最大膨脹量，依據(jù)管徑、膨脹量及類型，按表2選用方形補(bǔ)償器。常用的有4種類型： 1型（B=2A）、2型（B=A）、3型（B=0.5A）、4型（B=0），方形補(bǔ)償器選型見表2。

圖4 方型補(bǔ)償器

表2 方形補(bǔ)償器選型參數(shù)

續(xù)表2

2.4 波紋補(bǔ)償器的計(jì)算

波紋補(bǔ)償器為非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，應(yīng)根據(jù)管道介質(zhì)最大工作壓力、最大工作溫度、固定支架間最大熱伸長(zhǎng)量（按2.1計(jì)算）、波紋補(bǔ)償器的類型型號(hào)、提供設(shè)備波紋管廠家非標(biāo)計(jì)算選擇。可按照計(jì)算出的補(bǔ)償量，直接查取補(bǔ)償器設(shè)備樣本，然后按照樣本反饋的剛度及壓力面積，校核固定點(diǎn)推力。

3 管道熱補(bǔ)償使用原則及安裝注意事項(xiàng)

3.1 冷緊、自冷緊以及冷緊比值的選取

冷緊是指在安裝時(shí)（冷態(tài)）使管道產(chǎn)生一個(gè)初位移和初應(yīng)力的一種方法。如果熱脹產(chǎn)生的初應(yīng)力較大時(shí)，在運(yùn)行初期，初始應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度而發(fā)生塑性變形，或在高溫持續(xù)作用下，管道上產(chǎn)生應(yīng)力松弛或發(fā)生蠕變現(xiàn)象，在管道重新回到冷態(tài)時(shí)，則產(chǎn)生反方向的應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱為自冷緊。

冷緊的目的是將管道的熱應(yīng)變一部分集中在冷態(tài)，從而降低管道在熱態(tài)下的熱脹應(yīng)力和對(duì)端點(diǎn)的推力與力矩，也可以防止法蘭連接處彎矩過大而發(fā)生泄漏，但冷緊不改變熱脹應(yīng)力范圍。

冷緊比為冷緊值與全補(bǔ)償量的比值。對(duì)于材料在蠕變溫度下工作的管道，冷緊比宜取0.7。對(duì)于材料在非蠕變溫度下工作的管道，冷緊比宜取0.5。

3.2 方形補(bǔ)償器的應(yīng)用要求

方形補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、投資少，應(yīng)優(yōu)先選用。方形補(bǔ)償器應(yīng)設(shè)置在兩固定點(diǎn)中部，為防止管道橫向位移過大，應(yīng)在方形補(bǔ)償器兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)向架，導(dǎo)向支座與方形補(bǔ)償器的距離一般取管徑的30～40倍，見圖5。

圖5 方形補(bǔ)償器安裝要求

安裝方形補(bǔ)償器時(shí)一般必須冷緊，冷緊值：當(dāng)介質(zhì)溫度250 ℃時(shí)，為計(jì)算熱伸長(zhǎng)量的50%；當(dāng)介質(zhì)溫度為250～400 ℃時(shí)，為計(jì)算熱伸長(zhǎng)量的70%。

3.3 波紋補(bǔ)償器的應(yīng)用要求

在工程設(shè)計(jì)中，經(jīng)常由于工藝、布置空間等方面的要求，尤其是高溫低壓的場(chǎng)合而使用金屬波紋膨脹節(jié)，這些因素是千變?nèi)f化的，因而，在膨脹節(jié)的選型、安裝位置等方面的設(shè)計(jì)及計(jì)算應(yīng)符合下列要求。

3.3.1 補(bǔ)償器的選型及計(jì)算

①波紋補(bǔ)償器通常適用于高溫低壓場(chǎng)合；

②對(duì)于有疲勞因素的管線應(yīng)特別注意補(bǔ)償器的使用壽命（安全循環(huán)次數(shù)）；

③波紋補(bǔ)償器絕不應(yīng)使用于有扭轉(zhuǎn)的位置；

④應(yīng)特別注意負(fù)壓時(shí)波紋補(bǔ)償器對(duì)系統(tǒng)的影響；

⑤波紋補(bǔ)償器訂貨和安裝時(shí)，應(yīng)考慮預(yù)拉伸，預(yù)拉伸量為50%。

3.3.2 無約束軸向補(bǔ)償器布置應(yīng)符合以下要求

①兩個(gè)固定支座間僅能布置一個(gè)補(bǔ)償器；

②固定支座必須具有足夠的強(qiáng)度，以承受內(nèi)壓推力的作用；

③對(duì)管道必須進(jìn)行嚴(yán)格保護(hù)，尤其是靠近補(bǔ)償器的部位應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向支架，第一個(gè)導(dǎo)向支架與補(bǔ)償器的距離應(yīng)小于或等于4倍公稱直徑，第二個(gè)導(dǎo)向支架與第一個(gè)導(dǎo)向支架的距離應(yīng)小于或等于14倍公稱直徑，其余中間支架最大間距不應(yīng)超過Lmax，以防止管道有彎曲和徑向偏移造成補(bǔ)償器的破壞，見圖6。

圖6 波紋補(bǔ)償器安裝要求

式中：Lmax—導(dǎo)向支架之間的最大間距，mm；

E—管道材料的彈性模量，MPa；

I—管道橫截面的慣性矩，mm4；

P0—設(shè)計(jì)壓力， MPa；

A—波紋管的有效面積（見廠家資料），mm2；

K—膨脹節(jié)的軸向剛度，N/mm；

DL—膨脹節(jié)的軸向位移， mm；

±—工作狀態(tài)下波紋管受壓采用“+”，波紋管收拉伸采用“-”；

t—管道的壁厚，mm；

Dm—管道的平均直徑，mm。

3.3.3 波紋補(bǔ)償器施工安裝應(yīng)注意的問題

①波紋補(bǔ)償器的施工和安裝應(yīng)與設(shè)計(jì)要求相一致；

②波紋補(bǔ)償器上的箭頭表示介質(zhì)流向，應(yīng)與實(shí)際介質(zhì)流向相一致，不能裝反；

③固定支架和導(dǎo)向支架等應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行施工，需要改動(dòng)時(shí)應(yīng)經(jīng)原分析設(shè)計(jì)人員認(rèn)可；

④安裝過程中，不允許焊渣飛濺到波殼表面，不允許波殼受到其它機(jī)械損傷；

⑤波紋補(bǔ)償器的安裝使用應(yīng)嚴(yán)格按照產(chǎn)品安裝說明書進(jìn)行，禁止采用使膨脹節(jié)變形的方法來調(diào)整管道的安裝偏差；

⑥需要進(jìn)行"冷緊"的補(bǔ)償器，預(yù)變形所用的輔助構(gòu)件應(yīng)在管路安裝完畢后方可拆除；

⑦在管道系統(tǒng)（包括管道、膨脹節(jié)和變架等）安裝完畢、系統(tǒng)試壓之前，應(yīng)將膨脹節(jié)的運(yùn)輸保護(hù)裝置拆除或松開。按照國(guó)標(biāo)GB/T 12777—2008《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》的規(guī)定，運(yùn)輸保護(hù)裝置涂有黃色油，應(yīng)注意不能將其他部件隨意拆除；

⑧對(duì)于復(fù)式大拉桿波紋補(bǔ)償器，不能隨意松動(dòng)大拉桿上的螺母，更不能將大拉桿拆除；

⑨裝有波紋補(bǔ)償器的管道，進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)置適當(dāng)?shù)呐R時(shí)支架以承受額外加到管道和波紋補(bǔ)償器上的荷載，試驗(yàn)后應(yīng)將臨時(shí)支架拆除。水壓試驗(yàn)用水氯離子含量不超過25×10-6，水壓試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)盡快排除波殼中的積水，并迅速將波殼內(nèi)表面吹干。

3.4 球形補(bǔ)償器的應(yīng)用要求

相當(dāng)于波紋和套筒補(bǔ)償器，球形補(bǔ)償器有其特殊性，因?yàn)榍蛐窝a(bǔ)償器本體主要以補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)角度為主，所以為了補(bǔ)償管線膨脹，球形補(bǔ)償器在設(shè)計(jì)中往往成組出現(xiàn)，如一對(duì)兩個(gè)或三個(gè)，有的還可以二對(duì)四個(gè)等形式。如圖7所示。

圖7 球形補(bǔ)償器工作原理圖

球形補(bǔ)償器計(jì)算主要以滿足補(bǔ)償器的折屈角為主，在允許的條件下，應(yīng)選用較大的球心距，以便在折屈角不變的情況下獲得較大的補(bǔ)償量或使球體轉(zhuǎn)動(dòng)角度減小，獲得較合理的工作條件，延長(zhǎng)補(bǔ)償器壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)力管道優(yōu)選自然補(bǔ)償器補(bǔ)償，當(dāng)自然補(bǔ)償不能滿足要求的時(shí)候，采用其他形式的補(bǔ)償器。各種類型補(bǔ)償器優(yōu)缺點(diǎn)明顯，且有針對(duì)性，并不是一概不用，也不可隨意設(shè)置。設(shè)計(jì)選型、制造到安裝施工等各環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員和施工單位應(yīng)重視補(bǔ)償器在動(dòng)力管道中的重要作用，按照規(guī)范要求，將補(bǔ)償器這項(xiàng)工作做好。