对旋转补偿器在供热管道设计中的应用探析

摘 要：供热管道是保证居民在寒冷季节正常生产生活的基础民生设施，尤其是城市的集中供热管道已经成为当前我国许多大城市最重要的基础设施之一。文章对供热管道设计中旋转补偿器的工作原理和特征进行了详细的分析和讨论，并根据实际工程实例阐述旋转补偿器在供热管道设计中的具体应用和作用，为供热管道设计尤其是城市供热管道设计提供建议和帮助。

关键词：旋转补偿器；供热管道；管道设计

引言

由于当前百姓对供热的需求加大，尤其是冬季对供热的需求更是增加，各省市和地区逐渐在城镇中普及了集中供热，甚至有些南方省市也在筹划冬季集中供热的方案。补偿器是供热管道中的重要设备，主要作用是在供热管道升温的情况下，防治因热伸长或者温度应力而导致的供热管道出现变形或破坏，在供热管道上安装补偿器就可以补偿管道的热伸长，目的是降低管壁的作用及应力引起的阀件或支架结构上的作用力，在热力管网中的应用前景广泛。

1 旋转补偿器的工作原理和基本结构

旋转补偿器的工作原理是首先安装成对的旋转筒补偿器，通过旋转筒和器臂的旋转来形成一定的力偶，从而产生一对方向相反但大小相等的力，力臂围绕筒轴中心旋转，从而吸收力偶两侧的直管段产生的热膨胀量，实现吸收供热管道热位移的目的。旋转补偿器的基本结构包括密封压盖、密封座、大小头、旋转筒、减磨定心轴承和密封材料等部件。在供热管道中需要设置成对的旋转补偿器，这样可以产生相对的能够吸收管道内热位移的力，降低管道应力。详细结构如图1所示。

图1

2 旋转补偿器的特点

2.1 安全性能好

旋转补偿器主要是在结构设计上采用了双密封的构造，即，端密封和环密封两种密封构造，使得旋转补偿器的密封性能非常好，其安全性能较高。

2.2 设计简便

在供热管道设计过程中如果采用波纹补偿器则要遵守严格的标准和原则，设计起来比较麻烦和费时。但是，旋转补偿器则由于型式较多则能够实现按供热管道的实际情况来设置适合的补偿器，设计起来非常简便。

2.3 使用寿命长

旋转补偿器的使用寿命可达二十年以上。

2.4 补偿量较大

通常波纹补偿器的补偿量在300-400mm之间，而旋转补偿器的最大补偿量可以达到1800mm。实际应用中，若管线>DN200，则可以达到单边补偿量130-200m；若管线≤DN200，单边补偿量能达到100-300m。所以，旋转补偿器在长距离蒸汽输送管线中的补偿作用较好，补偿量较大。

2.5 安装方法与型式多样

旋转补偿器的最大优点是它可以根据实际的管网地形和管线走向，选取合适的旋转补偿器型式，且安装也比较简便，并不需要预紧和冷拉等工艺，只需要简单的对焊就能够实现对蒸汽管道的补偿。

2.6 投资成本低且经济效益高

旋转补偿器的投资成本低体现在其对土建投资的降低作用。因其补偿距离长所以使用数量少，对土建的固定墩产生的推力较小，所以固定墩的数量设置可以少些，并且固定墩的规格小，综合来说，土建投资就会大大减少。使用旋转补偿器的供热网工程总投资要比其他类型的补偿器工程投资减少20%-40%左右，投资节约能力较好。

3 旋转补偿器型式和布置原则

3.1 旋转补偿器的型式

旋转补偿器的型式有两种：直线型和错位型。其中，直线型又分为三种主要类型：上翻式、高差式和倒挂式，且三种型式都是根据同一直线为准则的；错位式旋转补偿器则有五种类型：直线型上翻错位式、直线型下翻错位式、直角型错位式、直角型高差错位式和直线型高差错位式。这些是实际供热管道中常见的旋转补偿器型式。

3.2 旋转补偿器的布置

供热管道设计中对旋转补偿器的布置有严格的规范和要求。具体布置形式有Ω型和II型。图2为II型的布置示意图。补偿点在两个固定支架中心处时，两侧被补偿管道随管道内温度升高而沿着O点旋转θ角，吸收热伸长。但是，若补偿点并不在两个固定支架的中心处时，在供热管道伸长的情况下，旋转中心点O会逐渐偏向比较短的一侧的被补偿管道方向。由于供热管道的热伸长将管道的首末两点都保持在同一直线上，而旋转补偿器则是以点O为中心出现弧线的行程。因此，II型旋转补偿器随着供热管道的热伸长，使被补偿管道出现横向移动，且横向移动在补偿量达1/2L时达到最大值y。

图2

4 实际供热管道中旋转补偿器的应用

4.1 预偏转量和旋转角度

旋转补偿器的补偿量是非常大的，能够达到1800mm，这种高效率的补偿能力可以明显提高旋转补偿器在管道中的稳定度，为达到这种目的就必须对旋转补偿器实施预偏装，且方向要与热膨胀的方向相反；旋转补偿器的旋转角度直接关系到密封材料的寿命和固定支架的推力作用。预偏装量X及其旋转角度θ的计算公式为：X=/2=S*a*（T2-T1）；θ=2*arcsin（/L）。公式中的为热膨胀量，S为旋转补偿器与固定点之间的距离，a是线胀系数，T1是安装的温度，T2是设计的温度，L是旋转臂长度。根据此公式计算出X=159mm、θ=6.27°。

4.2 固定点的推力

旋转补偿器的固定支架的推力是比较小的，非常适合在供热管道中使用。旋转补偿器的固定点的推力一共有三个，即，管道在供热过程中受热胀冷缩原理的影响而出现的受限制的热胀力（管道自重在热伸长时对固定点产生的摩擦反力Fm）、旋转过程中由于内部压力而产生的不平衡力和推力Fb。但是在实际的计算和应用过程中可以忽略因内部压力而产生不平衡力，这是由于旋转补偿器的结构特征及其布置型式来决定的。因此，固定支架的推力计算公式为：F=Fm+Fb，其中，Fm=μ*G，Fb=M/[Lcos（θ/2）]，此公式中μ是摩擦系数，且钢之间的滑动支架取0.3、聚四氟乙烯板和钢间的滑动支架取0.2、滚动支架取0.1；G是旋转补偿器所在位置的管道与固定支架间的总重量；M是旋转筒在摩擦时产生的摩擦力矩，这是以厂家提供的数据为准；L是旋转力臂，θ是选择角度；此时，该供热管道对旋转补偿器的要求是2337380N・cm；旋转补偿器T1面的总推力F为13927N和33709N。因此，最终的计算结果显示旋转补偿器应用过程中其固定支架所产生的推力是很小的，几乎不会造成什么影响。主要推力是由管道在滑动过程中所产生的摩擦反力导致的。

5 结束语

在集中供热需求越来越大的当前，供热管道的设计普遍开始采用补偿器来防治因热伸长或者温度应力而导致的供热管道出现变形或破坏。旋转补偿器可以根据供热管道的实际情况来选取合适的型式，相比其他类型的补偿器更加灵活方便。旋转补偿器相比自然补偿有减少弯头、寿命长、补偿量大和安全可靠的优点。而且由旋转补偿器产生的推力也比较小，对管道压力损失小，应用前景广阔。

参考文献

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[2]王玉峰.浅谈旋转补偿器在城市热网工程中的应用[J].科技资讯，2012，11（13）.