旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器在蒸汽管道熱補(bǔ)償中的應(yīng)用

謝利杰

（鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司，浙江 寧波 315042）

1 旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器簡(jiǎn)介及優(yōu)點(diǎn)

常見的蒸汽管道熱膨脹補(bǔ)償方式主要有旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器、波紋補(bǔ)償器、自然補(bǔ)償和π 型補(bǔ)償，其中，旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器作為一種新型補(bǔ)償器，具有推力小、安裝布置方便和吸收熱膨脹量的優(yōu)點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器需兩個(gè)以上成對(duì)布置，2 個(gè)補(bǔ)償器相對(duì)旋轉(zhuǎn)吸收蒸汽管道熱膨脹，其動(dòng)作原理如圖1 所示。旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由旋轉(zhuǎn)筒體、密封座、大小頭、減磨定心軸承和密封壓蓋等組成。

圖1 動(dòng)作原理

圖2 結(jié)構(gòu)型式

蒸汽管道敷設(shè)時(shí)，根據(jù)管道的走向確定布置形式，一般按100 m～200 m 安裝一組旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器。補(bǔ)償器有十多種安裝形式，其中,圖1 是最典型的布置方式。選用旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器之后，兩個(gè)相鄰的固定支架之間的距離比較大，為防止管道撓曲問題，補(bǔ)償器兩端需要安裝導(dǎo)向支架；另外，在滑動(dòng)支架上應(yīng)增設(shè)聚四氟乙烯摩擦副或活動(dòng)支座，以減少管道對(duì)固定支架產(chǎn)生的水平推力。

旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器的優(yōu)點(diǎn)有：

1）吸收熱膨脹量大，一般按100 m～200 m 安裝一組旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器；

2）推力小，不產(chǎn)生盲板力（由介質(zhì)壓力引起），適合大口徑管道使用；

3）管道布置簡(jiǎn)單，減少管道輸送過程中的熱損失，節(jié)約投資；

4）密封性能優(yōu)越，長(zhǎng)期運(yùn)行不需要維護(hù)。

2 旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器的選型

旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器一般分為4 個(gè)等級(jí)：

第一等級(jí)是低壓管道：溫度范圍40 ℃～300 ℃、壓力范圍0 MPa～1.6 MPa；

第二等級(jí)是中、低壓管道：溫度范圍40 ℃～425 ℃、壓力范圍1.6 MPa～4.0 MPa；

第三等級(jí)是高壓管道：溫度范圍40 ℃～500 ℃、壓力范圍4.0 MPa～6.4 MPa；

第四等級(jí)是超高壓管道：溫度范圍40 ℃～545 ℃、壓力范圍6.4 MPa～12.5 MPa。

當(dāng)使用溫度超過400 ℃時(shí)，本體材料采用合金鋼：06Cr19Ni10、15CrMoG、12Cr1MoVG、P11、P91 等材料。

3 旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器補(bǔ)償原理

大小相等、方向相反的一對(duì)力，通過由旋轉(zhuǎn)筒和力臂形成的力偶，由力臂繞z 軸中心旋轉(zhuǎn)，吸收在蒸汽管道2 個(gè)固定點(diǎn)間的熱膨脹量，這就是旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器的補(bǔ)償原理。

3.1 Π 形組合旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器

兩個(gè)固定架之間布置旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器，蒸汽管道工作時(shí)，兩端有相同的熱膨脹推力和熱膨脹量，使力偶圍繞中心O 旋轉(zhuǎn)θ 角，以實(shí)現(xiàn)吸收兩端大小相等、方向相反的熱膨脹量△L。如下頁(yè)圖3、圖4 所示。

圖3 Π 形組合補(bǔ)償器立體圖

圖4 Π 形組合補(bǔ)償器平面圖

在兩固定架中心布置旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器，偏蒸汽管道較短一端，運(yùn)行時(shí)，力偶臂的中心O 偏向較短的一端環(huán)繞，吸收大小不等、方向相反的膨脹量，記作△L1、△L2。

旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器布置類似于球形補(bǔ)償器，在吸收熱膨脹量的過程中，當(dāng)力偶旋轉(zhuǎn)到0.5θ 位置時(shí)，熱管道產(chǎn)生最大的擺動(dòng)值，記作y。所以，離補(bǔ)償器最近的導(dǎo)向支架布置距離要加大，如表1。

表1 導(dǎo)向支架離補(bǔ)償器的最小距離

補(bǔ)償器L 值的大小一般應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝條件、補(bǔ)償量的大小和自然地形來確定，較大的L 值可以加大補(bǔ)償器的補(bǔ)償能力，因此在條件許可時(shí)L 值盡量選擇大一點(diǎn)。

補(bǔ)償器的補(bǔ)償能力隨力偶臂L 或轉(zhuǎn)角θ 的增大而增加，在增加的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致擺動(dòng)值y 加大，y 不宜過大，因此轉(zhuǎn)角θ 一般不超過一定的值，如表2，L 值一般在3 m～6 m 內(nèi)為宜。

3.2 選型要點(diǎn)

1）Π 形組合補(bǔ)償器高H=旋轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)+2×1.5DN，見表3。

表3 H 尺寸

2）當(dāng)進(jìn)行長(zhǎng)距離補(bǔ)償時(shí)，可按表4 設(shè)置導(dǎo)向支架。

表4 導(dǎo)向支架的距離

3）因Π 形組合補(bǔ)償器會(huì)出現(xiàn)橫擺問題，所以特定距離內(nèi)補(bǔ)償器兩側(cè)不設(shè)置導(dǎo)向支架，參見表1。

4）密封材料使用壽命直接受θ 角大小的影響，所以，管道直徑大時(shí)，θ 角要小。θ 角的極限值見表2，計(jì)算出的θ 角不應(yīng)超過此極限值。轉(zhuǎn)角θ 越小，則摩擦力越小。

表2 轉(zhuǎn)角θ 的極限值

5）Π 形組合補(bǔ)償器的補(bǔ)償能力計(jì)算

當(dāng)Π 形組合補(bǔ)償器布置在兩固定支架中央時(shí)，任一端補(bǔ)償量△L 的計(jì)算如公式（1）：

因兩固定支架兩端補(bǔ)償量相等，所以總補(bǔ)償量為2△L。

當(dāng)安裝的Π 形組合補(bǔ)償器偏向于某一固定支架，且短臂與長(zhǎng)臂長(zhǎng)度比1∶2 時(shí)，長(zhǎng)短臂蒸汽管道要求△L2=（L2/L1）△L1長(zhǎng)臂蒸汽管道的熱膨脹量按式（1）計(jì)算。短臂蒸汽管道的熱膨脹量△L2為0.5△L1。

3.3 旋轉(zhuǎn)力偶的摩擦力矩及其推力

1）力偶的移動(dòng)受制于一對(duì)旋轉(zhuǎn)筒的摩擦力矩，因此推動(dòng)力偶移動(dòng)必須克服旋轉(zhuǎn)筒的摩擦力矩。

一對(duì)旋轉(zhuǎn)筒的總摩擦力矩記作M，密封填料內(nèi)的摩擦力矩記作M1，抗盲板力的摩擦力矩記作M2，力矩單位均為N·cm，M、M1、M2之間的關(guān)系如公式（2）：

表5 為一對(duì)旋轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)摩擦力矩M。

表5 一對(duì)旋轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)摩擦力矩M

2）Π 形組合旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器的力偶臂和一對(duì)方向相反、大小相等的力相互垂直。熱膨脹時(shí)，力偶旋轉(zhuǎn)的作用力F 如公式（3）：

式中：F 為旋轉(zhuǎn)力，N；M 為一對(duì)旋轉(zhuǎn)筒總摩擦力矩，N·cm；L 為力偶臂長(zhǎng)，cm；θ 為旋轉(zhuǎn)角，（°）。

4 旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器的應(yīng)用實(shí)例

本節(jié)以某一城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)的敷設(shè)為例，介紹無推力旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器的具體應(yīng)用。

某一城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)中蒸汽管道沿河堤敷設(shè)，蒸汽主管管徑為DN400，長(zhǎng)度約2 000 m，操作溫度為300 ℃，操作壓力為1.4 MPa，設(shè)計(jì)溫度為350 ℃，設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa，管道熱補(bǔ)償采用無推力旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器的方式。每米管道的運(yùn)行質(zhì)量為230 kg/m，管道管托采用滾動(dòng)支座，其中最大跨距的一段管道S=117 m，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器力偶臂取2.5 m，計(jì)算旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器的設(shè)置能否滿足要求及對(duì)固定點(diǎn)的水平推力。

按設(shè)計(jì)溫度350 ℃計(jì)算，鋼材的單位線膨脹系數(shù)為0.436 9 cm/m。

根據(jù)表2，DN400 管道轉(zhuǎn)角θ 的極限值為30°，選取L=2.5 m，經(jīng)計(jì)算一端的補(bǔ)償量為：

則θ=11.8°＜30°

可知L=2.5 m，可以滿足要求。

根據(jù)表3 取M=3 026 230 N·cm，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器對(duì)固定點(diǎn)的水平推力：

考慮管托采用聚四氟乙烯摩擦副，支座對(duì)固定點(diǎn)的水平推力為：

固定點(diǎn)的總推力為：

5 結(jié)語

無推力旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器具有補(bǔ)償能力大、占地空間小、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，特別適合復(fù)雜地形條件下的熱力管網(wǎng)敷設(shè)和廠區(qū)內(nèi)空間有限的熱力管道敷設(shè)。本工程具有一定的開創(chuàng)性，對(duì)于類似工程的設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。