旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器在熱力管網(wǎng)中的應(yīng)用

【摘要】熱力管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須重視熱脹冷縮的問(wèn)題。為使管道在熱狀態(tài)下穩(wěn)定和安全，減少管道熱脹冷縮時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力，應(yīng)考慮設(shè)置補(bǔ)償器以吸收管道受熱時(shí)的熱伸長(zhǎng)。補(bǔ)償器形式多種多樣，本文重點(diǎn)分析了旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器的特點(diǎn)，及相對(duì)于其他類型補(bǔ)償器的優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】熱力管網(wǎng)；熱脹冷縮；補(bǔ)償器；旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器

1、項(xiàng)目背景概述

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活質(zhì)量的提高，對(duì)城市環(huán)境質(zhì)量的要求已提升到一個(gè)更高的層次。為了節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境，國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策開(kāi)始大力推廣熱電聯(lián)產(chǎn)及集中供熱項(xiàng)目。在產(chǎn)業(yè)政策的支持下，近年來(lái)城市熱網(wǎng)建設(shè)得到長(zhǎng)足發(fā)展，其中南方以蒸汽管網(wǎng)為主，多用于企業(yè)生產(chǎn)；北方以熱水網(wǎng)為主，多用于采暖通風(fēng)。

熱力管道由于受到輸送介質(zhì)及外界環(huán)境溫度變化的影響，發(fā)生熱脹冷縮。如果管道的熱脹冷縮受到約束，管壁內(nèi)會(huì)產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，即熱應(yīng)力。此種熱應(yīng)力超過(guò)管材的強(qiáng)度極限，就會(huì)使管材造成破壞。為使管道系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，就必須設(shè)置補(bǔ)償器，對(duì)管道的脹、縮進(jìn)行補(bǔ)償，消除應(yīng)力。目前，補(bǔ)償器已成為熱力管網(wǎng)設(shè)計(jì)和建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在熱力管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)因地制宜的選擇合適的補(bǔ)償器，補(bǔ)償器的設(shè)置位置應(yīng)使管道布置美觀、協(xié)調(diào)；所采用的補(bǔ)償器應(yīng)安全、經(jīng)濟(jì)。

2、幾種傳統(tǒng)補(bǔ)償器的性能狀況

在工程設(shè)計(jì)中，如果條件允許，盡量利用管道敷設(shè)上的自然（或人為）彎曲管段（L形、Z形和空間立體彎）來(lái)吸收管道的熱伸長(zhǎng)變形，稱為自然補(bǔ)償。自然補(bǔ)償簡(jiǎn)單、可靠，應(yīng)優(yōu)先考慮。但當(dāng)受制于地形、支架受力，自然補(bǔ)償不能滿足熱伸長(zhǎng)變形要求時(shí)，需在熱網(wǎng)中設(shè)置各種類型的補(bǔ)償器來(lái)補(bǔ)償管道受熱時(shí)的熱伸長(zhǎng)量。

熱網(wǎng)常用傳統(tǒng)補(bǔ)償器有：方型補(bǔ)償器、套筒補(bǔ)償器、波紋補(bǔ)償器及其相關(guān)演變進(jìn)化的同類產(chǎn)品，以上補(bǔ)償器在實(shí)際使用中體現(xiàn)出了各自的有點(diǎn)，但同時(shí)也暴露出一些缺陷，具體表現(xiàn)如下。

2.1 方型補(bǔ)償器

方型補(bǔ)償器是由四個(gè)90°彎頭和一定長(zhǎng)度的相連管段組成，其安全性較高，正常運(yùn)行中無(wú)需維護(hù)，但占地或占空間較多，彎頭及管材消耗多，支柱土方量很大，補(bǔ)償距離少，壓力降大（使其運(yùn)行成本增加很多），工程造價(jià)高。方形補(bǔ)償器安裝要求較高，無(wú)論水平還是立式安裝，均須保持整個(gè)補(bǔ)償器各部分在同一平面內(nèi)；為提高補(bǔ)償器的熱補(bǔ)償能力，安裝時(shí)，需對(duì)管進(jìn)行預(yù)拉伸，輸送熱介質(zhì)的管道須冷拉。

2.2 套筒補(bǔ)償器

套筒補(bǔ)償器也稱填料函式補(bǔ)償器，以插管和套筒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)補(bǔ)償管道的熱伸長(zhǎng)量，以填料函實(shí)現(xiàn)密封。套筒補(bǔ)償器布置比較美觀，補(bǔ)償量大，占地面積小，安裝簡(jiǎn)單，投資省。但存在極大的內(nèi)壓推力，支柱土方量很大，易泄漏，特別是開(kāi)停次數(shù)多或熱介質(zhì)流量不恒定時(shí)更易泄漏，要經(jīng)常檢修更換填料，無(wú)法保證長(zhǎng)期正常運(yùn)行。

2.3 波紋補(bǔ)償器

波紋補(bǔ)償器由于具有配管簡(jiǎn)單、維修管理方便等優(yōu)點(diǎn)，在熱力管網(wǎng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。波紋補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)形式主要有三大類：1）軸向型；2）橫向型；3）角向型?？煞謩e適用于軸向位移補(bǔ)償、平面橫向位移補(bǔ)償、角位移補(bǔ)償。波紋補(bǔ)償器較適用于變形與位移量大而工作壓力低的大直徑管道。波紋補(bǔ)償器安裝要求較高，選用的波紋補(bǔ)償器應(yīng)考慮50%預(yù)拉伸量；在任意直管段上兩固定支架之間只能安裝一套波紋補(bǔ)償器，補(bǔ)償器應(yīng)靠近固定支架處，另一端應(yīng)設(shè)導(dǎo)向支架；波紋補(bǔ)償器必須與管道保持同心，不得偏斜。

波紋補(bǔ)償器布置比較美觀，但同樣存在極大的內(nèi)壓推力，管道支柱土方量很大，補(bǔ)償距離小，受氯離子腐蝕、應(yīng)力腐蝕影響較明顯，易造成突發(fā)性事故，水擊（錘）承受力極差，使用壽命短（8～10年，并且面臨強(qiáng)制更換的政策要求），造價(jià)較高，無(wú)法保證長(zhǎng)期正常運(yùn)行。

現(xiàn)在日益得到發(fā)展應(yīng)用的大拉桿橫向波紋補(bǔ)償器，安裝位置合適時(shí)，補(bǔ)償器沒(méi)有內(nèi)壓推力產(chǎn)生，對(duì)固定支架受力影響很小，堪稱無(wú)推力補(bǔ)償器。但該類補(bǔ)償器的安裝位置受限制較多，只能應(yīng)用在“L”型管道上。

2.4 球形補(bǔ)償器

球形補(bǔ)償器是熱力管道熱膨脹的補(bǔ)償方面的一種新型補(bǔ)償器，主要由球體與密封裝置等元件組成，安裝在熱力管道上，受熱后以球體回轉(zhuǎn)中心自由轉(zhuǎn)動(dòng)，吸收管道熱位移，從而減少管道應(yīng)力。球形補(bǔ)償器補(bǔ)償優(yōu)點(diǎn)：補(bǔ)償能力大，占據(jù)空間小，流體阻力小，安裝方便，投資省等。缺點(diǎn)：存在側(cè)向位移，易泄漏，要求加強(qiáng)維修。

3、旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器

旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器是一種針對(duì)克服傳統(tǒng)補(bǔ)償器在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在的缺陷而研發(fā)的新型補(bǔ)償器，且相關(guān)技術(shù)日益成熟。其基本結(jié)構(gòu)是將兩個(gè)或兩個(gè)以上的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器組對(duì)成旋轉(zhuǎn)組，安裝于熱網(wǎng)管線上，在熱網(wǎng)管道熱脹冷縮時(shí)產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)，從而吸收管道的熱膨脹，并且管道上產(chǎn)生的應(yīng)力極小。

相對(duì)方形補(bǔ)償器、波紋補(bǔ)償器等熱網(wǎng)設(shè)計(jì)中常用補(bǔ)償器而言，旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器具有超長(zhǎng)距離的補(bǔ)償能力，相同距離熱網(wǎng)管段補(bǔ)償器布置數(shù)量大大減少，使管道安全性能大幅提升；同時(shí)安裝旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器的熱力管道，熱膨脹時(shí)對(duì)固定支架的推力相對(duì)較小，使固定支架及支架基礎(chǔ)的制作成本大幅減少，減少了投資費(fèi)用，亦提高了支架運(yùn)行的可靠性。

3.1 旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器的工作原理

旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器是由旋轉(zhuǎn)筒和彎頭組成，其組合方式有Π型、Ω型，當(dāng)補(bǔ)償器布置于兩固定支架之間時(shí)，其補(bǔ)償原理是通過(guò)成對(duì)旋轉(zhuǎn)筒和L力臂形成力偶，使大小相等、方向相反的一對(duì)力，由力臂回繞著Z軸中心旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到對(duì)力偶兩邊管道產(chǎn)生的熱伸長(zhǎng)量的吸收。

旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器布置形式及補(bǔ)償變形如圖1所示：

3.2 旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器的特點(diǎn)

3.2.1超長(zhǎng)距離的補(bǔ)償能力

旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器具有超長(zhǎng)距離的補(bǔ)償能力，在熱力管道上可按200～500m安裝一組，可根據(jù)自然地形、管道走向、工作介質(zhì)確定具體布置形式。

以下以洛陽(yáng)某電力集團(tuán)廠區(qū)內(nèi)一段DN150，工作壓力3.0MPa，管內(nèi)介質(zhì)溫度400℃，管道總長(zhǎng)度450米，低支架架空敷設(shè)的蒸汽管道設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析。

因該段蒸汽管道工作壓力3.0MPa，管內(nèi)介質(zhì)溫度400℃，該工況下，熱網(wǎng)常用波紋補(bǔ)償器和套筒補(bǔ)償器無(wú)法滿足壓力和溫度要求，已不能應(yīng)用，于是，設(shè)計(jì)初期考慮在管道合適位置設(shè)置方形補(bǔ)償器來(lái)補(bǔ)償管道熱伸長(zhǎng)。

根據(jù)公式，管道熱膨脹量：

△l=（介質(zhì)溫度-環(huán)境溫度）×管材熱膨脹系數(shù)×兩固定支柱的距離

一米長(zhǎng)蒸汽管道熱膨脹量為：

△l=0.012*1*（400-20）=4.56mm

受地形限制，方向補(bǔ)償器外伸臂不能太長(zhǎng)，如選用a=b=2.5m規(guī)格方形補(bǔ)償器，一個(gè)補(bǔ)償器的補(bǔ)償能力約為150mm，可補(bǔ)償管段長(zhǎng)度約為：

l=150/△l=150/4.56≈33m

該段蒸汽管道總長(zhǎng)度約450米，如采用方形補(bǔ)償器，則需要方形補(bǔ)償器的數(shù)量為：

n=L/l-1=450/33-1≈13個(gè)

由上述計(jì)算，可以看到在450m長(zhǎng)的架空蒸汽管段上需要設(shè)置13個(gè)方形補(bǔ)償器來(lái)吸收管道熱伸長(zhǎng)，這樣設(shè)計(jì)，管道敷設(shè)既不美觀，沿管道走向管道支架也相應(yīng)增多，管道固定支架受力較大，造價(jià)較高，于是在設(shè)計(jì)中，改用了旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器。

同管道同工況，根據(jù)實(shí)際地形條件，在管道自然拐彎處，因地制宜采用五組Π型補(bǔ)償器即可滿足該蒸汽管道熱膨脹的補(bǔ)償要求。Π型組合DN150旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器外伸臂高：

H=旋轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)+2*1.5DN=300+2*1.5*150=750mm

相對(duì)于方形補(bǔ)償器，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器外伸臂僅750mm，可利用地形，垂直向上布置，管道走向較為美觀。2007年設(shè)計(jì)完成后，工程隨之展開(kāi)施工并于當(dāng)年投入運(yùn)行，直到現(xiàn)在管道運(yùn)行狀況良好，未發(fā)生任何故障，取得了不錯(cuò)的效果。

由上述內(nèi)容可見(jiàn)，對(duì)于同一熱網(wǎng)管路而言，相對(duì)于方形補(bǔ)償器，旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器具有超長(zhǎng)距離的補(bǔ)償能力，補(bǔ)償器布置數(shù)量大大減少。

3.2.2靈活的布置方式，較小的管道推力

工程案例：某熱電廠輸送過(guò)熱蒸汽管線，架空敷設(shè)，管徑DN500，工作壓力P0=0.95MPa，工作溫度t=250℃，管道安裝溫度0℃。

方案一，采用DN500大拉桿橫向波紋補(bǔ)償器，其中一段管道布置形式詳見(jiàn)圖2，在管段兩端及中間部位設(shè)固定支架，在管道中間部位設(shè)一組大拉桿橫向波紋補(bǔ)償器。

①通過(guò)查表可知：

管道單位長(zhǎng)度計(jì)算載荷 q=2229.62N/m

所選用1.6DH500型大拉桿橫向波紋補(bǔ)償器參數(shù)：

橫向剛度 KW=49N/mm

補(bǔ)償量 △l=210mm

產(chǎn)品總長(zhǎng) L=2500mm

②采用大拉桿橫向波紋補(bǔ)償器時(shí)固定支架受力分析：

固定支架1所受水平推力：H=PA+μqL1

式中 H--固定支架總推力，N

PA--波紋補(bǔ)償器的彈性力，N

PA=49*（0.012*62*250）=8820N

μqL--管道自重產(chǎn)生的摩擦反力，N

μ--摩擦系數(shù)，取0.2

μqL1=0.2*2229.62*62=27647N

則固定支架1所受水平推力：

H=8820+27647=36467N≈3.65噸力

采用大拉桿橫向波紋補(bǔ)償器，管道固定支架受力較小，但是僅補(bǔ)償器本體長(zhǎng)度就有2.5m，總外伸長(zhǎng)度至少4米，管道外伸較長(zhǎng)，且受地形限制，固定支架2無(wú)法生根，該設(shè)計(jì)方案不能采用。

方案二，在該過(guò)熱蒸汽管線上設(shè)置一組Π型旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器，則相對(duì)于方案一，可以僅在管道兩端設(shè)置固定支架，減少一個(gè)中間部位固定支架，補(bǔ)償器布置形式見(jiàn)下圖3。Π型旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器高H=1880mm，力偶臂長(zhǎng)L=5米。

①蒸汽管道在運(yùn)行情況下的一對(duì)旋轉(zhuǎn)筒的總的摩擦力矩Mk（N）：

Mk=1.2（Mk1+Mk2） N·cm

式中 M1—合金密封材料箱內(nèi)摩擦力矩

M2—抗盲板力的摩擦力矩

查表：DN500管道，Mk=4883080N·cm

在熱膨脹過(guò)程中，使力偶旋轉(zhuǎn)（即一對(duì)旋轉(zhuǎn)筒動(dòng)作）的力F：

F=Mk÷[LCOS（θ/2）]

式中 F—旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器的旋轉(zhuǎn)力（N）

Mk— 一對(duì)旋轉(zhuǎn)筒總摩擦力矩（N·cm）

L—力偶臂長(zhǎng)（cm） 此處力偶臂長(zhǎng)500cm

θ—旋轉(zhuǎn)角（°）

用作圖法可得到旋轉(zhuǎn)角θ=3.46°

旋轉(zhuǎn)推力 F=4883080÷[500×COS（3.46/2）]=9785N

②由前面波紋補(bǔ)償器的計(jì)算知，管道對(duì)支柱的摩擦反力：

μqL1=0.2*2229.62*2*63.5=56632N

③對(duì)固定支架1所受總水平推力為：

F=旋轉(zhuǎn)推力+管道自重摩擦反力=9785+56632=66417N≈6.64噸力

方案三，如采用DN500方形補(bǔ)償器，補(bǔ)償器布置形式見(jiàn)下圖4。查動(dòng)力手冊(cè)圖表，則該管段需要設(shè)置參數(shù)為B=5m，H=10m的方形補(bǔ)償器，補(bǔ)償器的彈性力約2.2kN。

由前面計(jì)算知，管道對(duì)固定支架的摩擦反力為56632N

則固定支架1所受總水平推力為：

F=補(bǔ)償器彈性力+管道自重摩擦反力=22000+56632=78632N≈7.86噸力

從上述三個(gè)方案的計(jì)算過(guò)程，我們可以看到，大拉桿橫向波紋補(bǔ)償器和旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器堪稱無(wú)推力補(bǔ)償器，固定支架受力均主要為管道摩擦力，但相對(duì)而言，旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器補(bǔ)償量更大，可根據(jù)自然地形靈活布置，且旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器外伸臂長(zhǎng)較短，所占空間大大減少；再者其適應(yīng)性較廣，對(duì)平行路徑、轉(zhuǎn)角路徑和直線路徑及地埋過(guò)渡至架空，均可布置，安裝適應(yīng)性較強(qiáng)。

采用旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器，該段管道可節(jié)省一個(gè)固定支架，固定支架間距增大，固定支架1受力大于采用大拉桿橫向波紋補(bǔ)償器時(shí)支架受力，但固定支架承受的主要還是管段運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力，因此固定支架基礎(chǔ)尺寸變化不大，土建造價(jià)也不會(huì)大幅增加；而且，還可以通過(guò)采用低摩擦系數(shù)的管道支座，減小摩擦力。同時(shí)，采用旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器，相較于采用方形補(bǔ)償器而言，結(jié)構(gòu)更緊湊，布置簡(jiǎn)單、方便，且少了方形補(bǔ)償器運(yùn)行時(shí)的彈性力，固定支架受力相對(duì)較小。

4、結(jié)論

新型旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器的旋轉(zhuǎn)筒內(nèi)裝設(shè)了止退圈和減摩、定心彈子，并采用了合理的密封面結(jié)構(gòu)，從而使密封材料和密封面的磨損極為輕微，可保證在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不發(fā)生泄漏，大大增加了工作的安全性、可靠性，且同時(shí)具有超長(zhǎng)距離的補(bǔ)償能力，對(duì)固定支架推力較小的顯著優(yōu)勢(shì)。

基于以上內(nèi)容，筆者認(rèn)為，旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器具有超長(zhǎng)距離補(bǔ)償能力、布置方式靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、管道推力較小等優(yōu)點(diǎn)，必將在各類熱力管網(wǎng)項(xiàng)目中獲得廣泛應(yīng)用。