摘 要：【目的】通過詳細的分析和比較，探討不同類型的蒸汽管道補償器對管道熱應(yīng)力及其相關(guān)參數(shù)的影響，以優(yōu)化電廠項目中的蒸汽管道設(shè)計，為未來類似項目中補償器的選擇和設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)和參考?！痉椒ā客ㄟ^構(gòu)建不同類型（方形和矩形）補償器的管道模型，進行熱應(yīng)力模擬，分析不同臂長的多種補償器配置情況，以評估這些因素對管道的最大一次應(yīng)力、最大二次熱應(yīng)力、熱位移以及固定點約束反力的影響?！窘Y(jié)果】不同類型的補償器對管道的熱應(yīng)力表現(xiàn)出顯著的影響。優(yōu)化補償器的選擇和配置能夠顯著提高管道系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和可靠性。【結(jié)論】研究結(jié)果不僅能夠指導(dǎo)類似項目的補償器選型，還為提高管道系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟性提供了理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：熱力計算；方（矩）形補償器；熱位移；二次熱應(yīng)力

中圖分類號：TK284.1" " " 文獻標志碼：A" "文章編號：1003-5168（2024）22-0048-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.010

Design and Selection of Square （Rectangular） Shape Compensator for Steam Pipeline

Abstract： [Purposes] This paper aims to discuss the influence of different types of steam pipeline compensators on the thermal stress of the pipeline and its related parameters through detailed analysis and comparison， so as to optimize the steam pipeline design in power plant projects， which provides scientific basis and practical reference for the selection and design of compensators in similar projects in the future. [Methods] The thermal stress was simulated by constructing pipeline models of different types （square and rectangular） compensators. The analysis covered a variety of compensator configurations of different arm lengths ， to assess the impact of these factors on the pipe's maximum primary stress， maximum secondary thermal stress， thermal displacement， and fixed point confinement reaction. [Findings] The different types of compensators showed significant effects on the thermal stress of the pipeline. Optimizing the selection and configuration of compensators can significantly improve the overall stability and reliability of the pipeline system. [Conclusions] The research results of this paper can not only guide the selection of compensators for similar projects in the future， but also provide theoretical basis and practical experience for improving the safety and economy of pipeline system.

Keywords： thermodynamic calculation; square （rectangular） shape compensator; thermal displacement; secondary thermal stress

0 引言

目前，熱力管道被廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、醫(yī)藥、電子和市政等行業(yè)，用于輸送蒸汽或其他高溫介質(zhì)。通常情況下，輸送介質(zhì)溫度同環(huán)境溫度相差較大，在初次投入使用以及啟停過程中，管道在熱脹冷縮作用下，會不可避免地產(chǎn)生熱位移和二次熱應(yīng)力［1］。為解決此問題，通常在熱力管道設(shè)計中采用補償以消除熱位移。補償方式會優(yōu)先考慮自然補償，當(dāng)自然補償無法滿足時，才考慮裝設(shè)各類的補償器，其中又以方（矩）形補償器最為常見［2］。本研究通過熱應(yīng)力軟件CAESARⅡ分析不同方（矩）形補償器在不同狀態(tài)下管道最大一次應(yīng)力、最大位移、最大二次熱應(yīng)力和固定點約束反力情況［3］，為后續(xù)方（矩）形補償器的選用和設(shè)計提供參考。

1 工程概況及蒸汽管道的布置

某電廠項目新增一層生產(chǎn)車間，需求蒸汽參數(shù)為0.6 MPa飽和蒸汽，溫度為165 ℃，經(jīng)計算蒸汽管道管徑選用DN100（Φ108×4 mm），管道材質(zhì)為20鋼，設(shè)計壓力為0.7 MPa，水壓試驗壓力為1.05 MPa，管道保溫厚度根據(jù)項目要求為100 mm，保溫材料采用離心玻璃棉，容重為100 kg/m3。管道大致路由老廠原有蒸汽立管接出，至工藝機房，沿生產(chǎn)廠房柱側(cè)布置，長度約50 m。為了不影響原有蒸汽管路系統(tǒng)位移及受力情況，新增蒸汽管路在原有接管附近設(shè)置固定點與原有系統(tǒng)分開，本文著重研究新增段管道的熱位移及受力情況。

2 熱補償?shù)挠嬎闩c補償方式選擇

管道熱伸長量的計算見式（1）［4］。

[ΔL=Lαt2?t1] （1）

式中：[ΔL]為熱伸長量，mm；L為蒸汽管長度，m；α為碳鋼管道平均線膨脹系數(shù)，×10-6/℃；t2為管道內(nèi)介質(zhì)溫度，℃；t1為環(huán)境溫度，℃。

已知管道長度L=50 m，α=11.58×10-6/℃，t2=165 ℃，t1=20 ℃。通過計算熱伸縮位移達84 mm，相對于DN100管道，該管道運行過程中偏移量超過管徑一半，對管道彎頭處會造成應(yīng)力集中，不利于管道系統(tǒng)穩(wěn)定，因而考慮在管道中間設(shè)置一個方（矩）形補償器。

方（矩）形補償器因其具有成本低、制造簡單方便、適用范圍廣、吸收補償量大和運行安全可靠等優(yōu)點，是熱力管道中最為常見的一種補償器［5］。目前，幾種常見的型式［6］如圖1所示。

3 方（矩）形補償器選型分析

補償器管道布置如圖2所示。管道節(jié)點由數(shù)字10～160表示，以10為步長遞增。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點以及管道布置情況，將管道沿廠房直行部分約36 m兩側(cè)設(shè)置固定點，中心位置設(shè)置補償器，兩個固定點之間以4 m為間距設(shè)置滑動支吊架，靠近方形補償器位置兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)向支架，導(dǎo)向支架至補償器外伸壁的距離長度滿足16～40 DN。

根據(jù)以上管道布置，利用應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ建立計算模型，應(yīng)力校核按ASME B31.1規(guī)范驗證。首先驗證支吊架設(shè)計荷載以及支吊架處位移情況；其次根據(jù)熱伸縮補償量和《動力管道設(shè)計手冊》推薦外伸臂長約1 500 mm，故分析方形補償器H=1 500 mm、B=1 500 mm情況下支吊架各節(jié)點的受力及位移情況，具體見表1。

由表1可知，支吊架約束反力均勻分布，支吊點處z向位移為0，無脫載現(xiàn)象，支吊點設(shè)置比較合理。

本研究利用應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ，分別對不同方（矩）形補償器型式、不同臂長H的補償器進行管道應(yīng)力分析，并對比不同情況補償器下管道最大一次應(yīng)力、最大位移以及最大二次熱應(yīng)力情況，為方（矩）形補償器設(shè)計和選擇提供方向［6］。

3.1 不同方（矩）形補償器型式的對比分析

根據(jù)熱伸縮補償量，《動力管道設(shè)計手冊》推薦外伸臂長約1 500 mm，故以外伸臂長H=1 500 mm為例，分別測試4種型式補償器下管道固定點約束反力、最大一次應(yīng)力、最大位移和最大二次熱應(yīng)力情況［7-8］。外伸長量H=1 500 mm時，通過應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ分析所得數(shù)據(jù)見表2和表3。

由結(jié)果可知，不同型式補償器對固定點的作用力大小主要沿管道布置方向，即圖2中的x方向，隨著寬度B的減小，受力有增大趨勢；最大一次應(yīng)力位于導(dǎo)向支架處60/130節(jié)點，最大位移點位于方形補償器母管彎頭處70/110節(jié)點，最大二次熱應(yīng)力位于方形補償器伸出彎頭處80/100節(jié)點，最大一次應(yīng)力、最大位移和最大二次熱應(yīng)力也均隨著寬度B的縮小而增大，但均在《動力管道》（ASME B31.1）規(guī)范許用應(yīng)力范圍內(nèi)。當(dāng)外伸臂長度滿足補償量需求時，即便寬度B=0（4型），二次熱應(yīng)力也仍可滿足許用應(yīng)力要求，因而寬度B的大小對方形補償器選擇的影響較小，設(shè)置方形補償器時可根據(jù)現(xiàn)場實際布置情況調(diào)整寬度B的大小，選擇適合的補償器型式。

綜上所述，補償器型式即寬度B的大小對管道熱位移及最大熱應(yīng)力影響較小，補償器寬度B可根據(jù)現(xiàn)場管道布置實際情況調(diào)整，當(dāng)管道空間足夠時，可盡量選擇2型方形補償器，受力均勻；當(dāng)管道布置空間有限時，可縮小補償器寬度B，選擇3或4型補償器。

3.2 不同方（矩）形補償器外伸縮臂長對比分析

以方形補償器為例，分析外伸長量H分別為500、1 000、1 500和2 000 mm時管道固定點約束反力、最大一次應(yīng)力、最大位移、最大二次熱應(yīng)力情況，通過應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ分析所得數(shù)據(jù)見表4和表5。

經(jīng)分析可知，隨著外伸長量H的減小，最大一次應(yīng)力變化不大，均在《動力管道》（ASME B31.1）規(guī)范許用范圍之內(nèi)。固定點約束反力和最大二次熱應(yīng)力均有增大趨勢，與寬度B相比外伸長量H的大小對管道系統(tǒng)影響效果更明顯。當(dāng)伸長量為500 和1 000 mm時，最大二次熱應(yīng)力位置均會超過ASME B31.1規(guī)范許用應(yīng)力，該規(guī)格下的方形補償器不可行。從表格數(shù)據(jù)可知，當(dāng)熱伸長量H過小時，還會造成最大位移和對固定點約束反力陡增，對管道系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用安全性造成影響。

綜上所述，伸長量H的選擇對方形補償器的選用至關(guān)重要。在影響管道系統(tǒng)固定點受力、熱二次應(yīng)力上，伸長量H與寬度B相比更敏感，因而補償器設(shè)置時應(yīng)著重考慮管道外伸長量H的選定。選定外伸長量H時，需至少滿足方（矩）形補償器外伸縮長度H不得小于《動力管道設(shè)計手冊》表6-3中外伸縮臂長度。

4 結(jié)語

本研究總結(jié)了方（矩）形補償器在蒸汽管道中的應(yīng)用型式，通過對比方形補償器的不同要素，利用應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ分析管道最大一次應(yīng)力、最大二次熱應(yīng)力、最大位移以及固定點約束反力情況，從而發(fā)現(xiàn)影響補償器設(shè)計的主要影響因素，以此指導(dǎo)選擇適合的方（矩）形補償器，在工程設(shè)計中有一定的指導(dǎo)意義，研究結(jié)論如下。

①方（矩）形補償器隨著寬度B和外伸長量H的減小，均會導(dǎo)致固定點約束反力和彎頭處二次熱應(yīng)力的增加。

②方（矩）形補償器寬度B大小對補償能力影響較小，可根據(jù)項目實際情況進行選擇，外伸長量H與寬度B相比，對補償器影響更大，需著重考慮外伸長量H的設(shè)計。

③方（矩）形補償器外伸長量H不得小于《動力管道設(shè)計手冊》表6-3中推薦外伸縮臂長度。

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