浅析热力管道中补偿器的应用

摘要：针对热力管道运行中存在的热膨胀现象，分析热力管道热补偿的必要性，并以波纹补偿器为例，介绍补偿器的工作原理及其应用。

关键词：热补偿 波纹补偿器 应用

热力管道在投入运行时，如遇环境温度升高或工作介质的温度较高时，会使整个管道系统产生很大的热膨胀和轴向推力，如果这些膨胀得不到补偿（消除），就会严重损坏管道系统，使其不能正常工作。为了保证热力管道在运行状态下的稳定和安全，设计中必须充分考虑管道的热补偿问题，遵循安全、可靠、经济的原则，合理选用补偿器。

1、管道热补偿必要性分析

管道的热补偿是为了防止管道因温度升高引起热伸长产生应力而遭到破坏所采取的措施。在管道设计中，应充分利用管道的自然补偿，当利用管段的自然补偿不能满足要求时，应设置补偿器，以保证系统有足够的伸缩余量，减少管道产生的热应力。

1.1 热力管道膨胀长度分析

热力管道投入运行后，常因温度升高而引起热膨胀。管道热膨胀长度可用如下公式计算：

L=at L

式中：L―――管道膨胀长度（mm）；

a―――管材的线膨胀系数（mm/m・℃），一般钢管道取a=0.012mm/m・℃；

t ―――管道工作温度与安装时温度之差（℃）；

L―――需补偿管道长度（m），即所需补偿管道固定支架间的距离；

1.2 热膨胀应力分析

在未考虑热补偿的状态下，如同将受热膨胀的管道两端固定，限制其自由膨胀伸缩，这时受热管道内将产生很大的热膨胀应力，依据虎克定律，热膨胀应力计算公式如下：

σ=εE （kg/cm2）

式中：σ―――热膨胀应力；

ε―――相对压缩量，ε=L/L；

E―――钢材的弹性模数，常用钢材的弹性模数为2×106。

上式表明，热膨胀应力的大小与相对压缩量和弹性模数成正比，而与管道的长度无关。将管道热膨胀长度计算公式L=atL代入，上式变为：σ=Eat（kg/cm2）

对于常用的钢管，其线膨胀系数通常取12×10-6，弹性模数常取2×106，热膨胀应力公式可简化为：σ=24t kg/cm2。此公式更方便计算钢管道热膨胀受到限制时产生的热胀应力。

以常用的热力管道Φ219×8为例，当工作介质温度为100℃，安装时的温度为20℃时，则：热膨胀应力σ=24t=24×（100-20）=1920kg/cm2

截面积A=π[（D/2）2-（d/2）2]=3.142×[（21.9/2）2-（20.3/2）2]=53cm2

则管道产生的轴向推力为F=Aσ=1920×53=101760kg。

可见，管道受热膨胀时产生的轴向推力非常大，如得不到补偿，将对管架和构筑物造成极大破坏，甚至会危及到整个管道系统的安全运行。

2、以波纹补偿器为例，分析补偿器的工作原理

补偿器包括方形自然补偿器、波纹补偿器、套筒补偿器、旋转补偿器等几大类型。热力管道中，当管径较大、温度较高时，适用于波纹补偿器进行管路补偿。波纹补偿器由波纹管和端管、支架、法兰、导管等附件组成，是利用波纹管补偿器弹性元件的有效伸缩变形来吸收管线、导管或容器由热胀冷缩等原因而产生的尺寸变化，属于一种补偿元件。波纹补偿器的主要弹性元件为不锈钢波纹管，依靠波纹管的伸缩、弯曲来对管道进行轴向、横向、角向补偿。可补偿吸收管道轴向、横向、角向热变形；可吸收设备振动，减少设备振动对管道的影响；可吸收地震、地陷等对管道造成的变形量；同时管道中波纹补偿器的使用还可利于阀门、管道的安装与拆卸。

波纹补偿器除了具有补偿量大、补偿方式灵活、结构紧凑、工作可靠等补偿优势外，其可靠性也非常高。波纹补偿器根据吸收热位移的方式，可分为轴向型、横向型和角向型三大类二十多个品种。轴向型又包括内压式、外压式、复式、平衡式、直埋式等；横向型补偿器包括大拉杆横向补偿器和万向铰链横向型补偿器等；角向型补偿器包括铰链补偿器和万向铰链补偿器等。设计中要根据管道的实际补偿需求，遵循安全、可靠、经济的原则，合理选用相应种类的波纹补偿器。

3、以波纹补偿器为例，分析补偿器的安装应用

安装前，要检查补偿器外观，根据设计要求核对补偿器安装方向，复核产品合格证，要按设计要求对波纹补偿器进行预拉，拉伸时受力应均匀，预变形的所有辅助构件应在管线安装完毕后再拆除。

安装时，应设临时约束装置，待管道安装固定后再拆除临时约束装置。安装过程中，应防止各种不当操作方式损伤补偿器，严禁用波纹管变形的方法来迎合管系的安装偏差。波纹补偿器内套有焊缝的一端，在水平管道上应迎介质流向安装，并应与管道保持同轴，不得偏斜，以免影响补偿器的正常功能、降低其使用寿命及增加管系、设备和支承构件等的载荷。

安装完毕，应尽快拆除波纹补偿器上用作安装运输的黄色辅助定位构件及紧固件，并应按要求调整限位装置，以使管系在环境条件下有充分的补偿能力；要注意所有活动元件不得被外部构件卡死或限制其活动范围，应保证各活动部位的正常动作。

水压试验时，应对装有补偿器管路端部的次固定管架进行加固，使管路不发生移动或转动；对用于气体介质的补偿器及其连接管路，充水时要根据需要增设临时支架，要求水压试验用水氯离子浓度≤25PPM。另外，补偿器在系统压力试验时的判定标准与在制造厂压力试验要求相同。

4、其他需要注意的问题

管道的热补偿，需要合理地确定固定支架的位置，使管道在一定范围内进行有控制地伸缩，以便通过补偿器和管道本身的弯曲部分进行长度补偿。要注意固定支架的间距必须满足管道伸长量不得超过补偿器的补偿能力，因膨胀而产生的轴向推力不能超过固定支架所能承受的限度，并不得使管子产生纵向弯曲等等。

参考文献

[1]顾顺符,潘秉勤.管道安装工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1987．