论文部分内容阅读
摘要：根据实际工作经验，结合相关理论基础，对蒸汽管道常用补偿器的选用提出自己的方法。
关键词：补偿方式选择；补偿常用计算；可参考的数据
金属管道具有良好的热胀冷缩特性，由于安装温度与使用温度相差悬殊和内部流体推力（或者压力、压强）的影响，使用状态下的管道具有较大的推力和位置。如果不能妥善处理好推力和位置的问题，将会对用热设备和管道产生损害，甚至导致严重安全生产事故。为此，管道设计和施工中，需高度重视补偿器的选用和安装。
基于工业管道范畴中，设计压力小于1.6MPa的蒸汽管道存在的数量占比最大，日常使用和接触最广的情况，本文特指此类管道中补偿器的选用。下文主要从以下角度进行递进分析和提出常用可参考的数据。
1.补偿器的类型
一般来说，补偿器分为两种。一种是自然补偿器（以下简称“自然补偿”），即主要利用管道在沿墙壁、地面、山坡、吊梁等敷设过程中形成的拐弯（水平折弯、上升、下降、非直角度安装等）角度、特定长度的来向去向管段和特定位置的固定支架设置，来进行伸缩补偿的，不需另外加装伸缩元件；另一种是外加补偿器补偿（以下简称“补偿器补偿”），即通过在管道系统上加装特殊元件和特定位置的固定支架设置，利用其本身具有的伸缩空间来减小或消除管道末端因介质流动产生的压强或推力。
2.补偿器主要种类和对应种类应用范围
2.1自然补偿，包括“L”型补偿、“Z”型补偿、“几”（Ω、Π）型补偿等。由于车间内管道空间有限且需要连接设备，折弯较多，故“L”型补偿、“Z”型补偿主要由于车间内管道；由于较长距离管道需要保证压力和温度，“几”（Ω、Π）型补偿主要输送距离较远或直管段较长的压力管道。
2.2补偿器补偿，包括波纹管补偿、套筒补偿、旋转补偿、铰链补偿等。主要用于户外、长距离、对压力和温度要求高、空间有限等条件下的流体介质管道。
3.补偿方式选择的影响要素
3.1安全和检修，空间狭小，泄露危害大的，一般使用自然补偿中。
3.2压力降和温度降，对温度和压力要求稳定的电厂动力管道，一般使用“几”（Ω、Π）型补偿。
3.3空间，空间特别狭小但对泄露不会产生较大危害，对压力和温度有较高要求的车间工艺管道，一般使用波纹管补偿、套筒补偿。
3.4投资成本，补偿器补偿在元件本身和支座上投资较自然补偿要大，因为补偿器补偿情况下，管道的推力较其他方式补偿要大。
3.5支架设置，设置支架的位置的耐受推力、是否可以设置支架等，决定了应当安装不同的补偿器。
4.补偿方式选择常用的计算
4.1热膨胀（伸长）量计算ΔL，单位cm
一般选用公式：ΔL=Lα（t2-t1）
式中：L—计算管长或两个相对点之间的管长，单位m
α—管道的线膨胀系数，单位cm/m·℃，20钢的平均系数为12.2×10-4；单位m/m·℃，20钢的平均系数为12.2×10-6
t2—管道设计温度或使用温度，单位℃
T1—管道安装时温度，单位℃
例1：安装时当地气温13℃，计算长度100米，规格为?325×10.0，设计压力1.3MPa，设计温度193℃的饱和蒸汽管道的热膨胀量
解1：ΔL=Lα（t2-t1）=100×12.2×10-4×（193-13）=21.96cm，热膨胀量与管道规格无关
4.2无约束直管段热膨胀应力计算σ，单位kg/cm2
一般选用公式：σ=Εε
式中：ε—相对压缩量，无单位，ε=ΔL/L=α（t2-t1）
Ε—弹性模数，单位MPa，20钢的平均值为2.1×105；单位kg/cm2，20钢的平均值为2.1×106
例2：同例1
解2：σ=Εε=2.1×106×α（t2-t1）=2.1×106×12.2×10-6×（193-13）=4611.6kg/cm2，即相当于约461MPa，相当于约46KN
4.3轴向推力计算F，单位kg/cm2
一般选用公式：F=Aσ
式中：A—管道截面积，单位cm2，A=0.25π（D2-d2），D—管外径，d—管内径，π取3.14
σ—热膨胀应力，单位kg/cm2
例3：同例1
解3：F=Aσ=0.25×3.14×（0.3252-0.3052）×4611.6=45.6kg/cm2≈456N
4.4“L”型补偿管段短臂长度的计算
一般选用公式：l=1.1（ΔLDw/300）0.5
式中：l—“L”型补偿短臂的长度，单位m
Dw—管子外径，单位mm
例4：同例1，参见图1
解4：l=1.1（ΔLDw/300）0.5=1.1×（219.6×325/300）0.5=1.1×15.42=16.96m
此处仅作理论计算，需同时考虑管子的两支架间允许的最小跨距和热膨胀量。显然，此处是自相矛盾的，因为规格为?325×10的蒸汽管的膨胀量高达21.96cm，若采用自然补偿，会导致管托脱落支架，支管应力超高等一系列对管道安全产生影响的负面影响。
4.5冷拉值的计算
一般选用使用状态下与安装温度下温差情况热膨胀量的一半长度（0.5ΔL），对补偿器进行预拉伸。冷拉伸时应注意轴心对齐，松螺栓、拉伸波纹管或用千斤顶缓慢顶开矩形管段。应根据管道的横向位移、轴向位移、阻滞情况，综合考虑设置滑动支架、导向支架、固定支架。
5.可直接参考使用的常用数据
5.1平面自然补偿长度一半不允许超过30米，设备对震动有要求的应按照要求缩短自然补偿距离。
5.2无约束直管段管道通过补偿器补偿，一般不超过50米，应当同时考虑固定支架活动支架是否有设置条件。
5.3《低中压锅炉用无缝钢管GB3087》和《输送流体用无缝钢管GB/T8163》中的20钢，在估算设计压力在1.6MPa下的蒸汽管热膨胀量时，可以采用α=12.5×10-6m/m·℃进行计算；在其下的弹性模量（模数）时，可以采用E=18×104MPa进行计算。
参考文献：
[1]王国荣.蒸汽管路的安装和冲洗[J].中华纸业，2009第30卷第8期：66-69.
[2]宋元华.蒸汽管道热应力分析及补偿装置的安装[J].铜业工程，2012第4期：64-67.
[3]刘世杰.压力管道热膨胀的简化计算及快速校核[J].辽阳石油化工专科学校学报，2000第16卷第4期：37-39.
[4]张嘉陵.无推力补偿器在热力官道上的应用[J].冶金设备，2002.6第4期：46-47.
[5]《動力管道设计手册》编写组.动力管道设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，2016.1.
[6]GB 50316-2000，工业金属管道设计规范[S]
作者简介：2009年10月开始在现公司从事工程技术相关工作，获管理学学士和工学学士学位，助理工程师职称。
关键词：补偿方式选择；补偿常用计算；可参考的数据
金属管道具有良好的热胀冷缩特性，由于安装温度与使用温度相差悬殊和内部流体推力（或者压力、压强）的影响，使用状态下的管道具有较大的推力和位置。如果不能妥善处理好推力和位置的问题，将会对用热设备和管道产生损害，甚至导致严重安全生产事故。为此，管道设计和施工中，需高度重视补偿器的选用和安装。
基于工业管道范畴中，设计压力小于1.6MPa的蒸汽管道存在的数量占比最大，日常使用和接触最广的情况，本文特指此类管道中补偿器的选用。下文主要从以下角度进行递进分析和提出常用可参考的数据。
1.补偿器的类型
一般来说，补偿器分为两种。一种是自然补偿器（以下简称“自然补偿”），即主要利用管道在沿墙壁、地面、山坡、吊梁等敷设过程中形成的拐弯（水平折弯、上升、下降、非直角度安装等）角度、特定长度的来向去向管段和特定位置的固定支架设置，来进行伸缩补偿的，不需另外加装伸缩元件；另一种是外加补偿器补偿（以下简称“补偿器补偿”），即通过在管道系统上加装特殊元件和特定位置的固定支架设置，利用其本身具有的伸缩空间来减小或消除管道末端因介质流动产生的压强或推力。
2.补偿器主要种类和对应种类应用范围
2.1自然补偿，包括“L”型补偿、“Z”型补偿、“几”（Ω、Π）型补偿等。由于车间内管道空间有限且需要连接设备，折弯较多，故“L”型补偿、“Z”型补偿主要由于车间内管道；由于较长距离管道需要保证压力和温度，“几”（Ω、Π）型补偿主要输送距离较远或直管段较长的压力管道。
2.2补偿器补偿，包括波纹管补偿、套筒补偿、旋转补偿、铰链补偿等。主要用于户外、长距离、对压力和温度要求高、空间有限等条件下的流体介质管道。
3.补偿方式选择的影响要素
3.1安全和检修，空间狭小，泄露危害大的，一般使用自然补偿中。
3.2压力降和温度降，对温度和压力要求稳定的电厂动力管道，一般使用“几”（Ω、Π）型补偿。
3.3空间，空间特别狭小但对泄露不会产生较大危害，对压力和温度有较高要求的车间工艺管道，一般使用波纹管补偿、套筒补偿。
3.4投资成本，补偿器补偿在元件本身和支座上投资较自然补偿要大，因为补偿器补偿情况下，管道的推力较其他方式补偿要大。
3.5支架设置，设置支架的位置的耐受推力、是否可以设置支架等，决定了应当安装不同的补偿器。
4.补偿方式选择常用的计算
4.1热膨胀（伸长）量计算ΔL，单位cm
一般选用公式：ΔL=Lα（t2-t1）
式中：L—计算管长或两个相对点之间的管长，单位m
α—管道的线膨胀系数，单位cm/m·℃，20钢的平均系数为12.2×10-4；单位m/m·℃，20钢的平均系数为12.2×10-6
t2—管道设计温度或使用温度，单位℃
T1—管道安装时温度，单位℃
例1：安装时当地气温13℃，计算长度100米，规格为?325×10.0，设计压力1.3MPa，设计温度193℃的饱和蒸汽管道的热膨胀量
解1：ΔL=Lα（t2-t1）=100×12.2×10-4×（193-13）=21.96cm，热膨胀量与管道规格无关
4.2无约束直管段热膨胀应力计算σ，单位kg/cm2
一般选用公式：σ=Εε
式中：ε—相对压缩量，无单位，ε=ΔL/L=α（t2-t1）
Ε—弹性模数，单位MPa，20钢的平均值为2.1×105；单位kg/cm2，20钢的平均值为2.1×106
例2：同例1
解2：σ=Εε=2.1×106×α（t2-t1）=2.1×106×12.2×10-6×（193-13）=4611.6kg/cm2，即相当于约461MPa，相当于约46KN
4.3轴向推力计算F，单位kg/cm2
一般选用公式：F=Aσ
式中：A—管道截面积，单位cm2，A=0.25π（D2-d2），D—管外径，d—管内径，π取3.14
σ—热膨胀应力，单位kg/cm2
例3：同例1
解3：F=Aσ=0.25×3.14×（0.3252-0.3052）×4611.6=45.6kg/cm2≈456N
4.4“L”型补偿管段短臂长度的计算
一般选用公式：l=1.1（ΔLDw/300）0.5
式中：l—“L”型补偿短臂的长度，单位m
Dw—管子外径，单位mm
例4：同例1，参见图1
解4：l=1.1（ΔLDw/300）0.5=1.1×（219.6×325/300）0.5=1.1×15.42=16.96m
此处仅作理论计算，需同时考虑管子的两支架间允许的最小跨距和热膨胀量。显然，此处是自相矛盾的，因为规格为?325×10的蒸汽管的膨胀量高达21.96cm，若采用自然补偿，会导致管托脱落支架，支管应力超高等一系列对管道安全产生影响的负面影响。
4.5冷拉值的计算
一般选用使用状态下与安装温度下温差情况热膨胀量的一半长度（0.5ΔL），对补偿器进行预拉伸。冷拉伸时应注意轴心对齐，松螺栓、拉伸波纹管或用千斤顶缓慢顶开矩形管段。应根据管道的横向位移、轴向位移、阻滞情况，综合考虑设置滑动支架、导向支架、固定支架。
5.可直接参考使用的常用数据
5.1平面自然补偿长度一半不允许超过30米，设备对震动有要求的应按照要求缩短自然补偿距离。
5.2无约束直管段管道通过补偿器补偿，一般不超过50米，应当同时考虑固定支架活动支架是否有设置条件。
5.3《低中压锅炉用无缝钢管GB3087》和《输送流体用无缝钢管GB/T8163》中的20钢，在估算设计压力在1.6MPa下的蒸汽管热膨胀量时，可以采用α=12.5×10-6m/m·℃进行计算；在其下的弹性模量（模数）时，可以采用E=18×104MPa进行计算。
参考文献：
[1]王国荣.蒸汽管路的安装和冲洗[J].中华纸业，2009第30卷第8期：66-69.
[2]宋元华.蒸汽管道热应力分析及补偿装置的安装[J].铜业工程，2012第4期：64-67.
[3]刘世杰.压力管道热膨胀的简化计算及快速校核[J].辽阳石油化工专科学校学报，2000第16卷第4期：37-39.
[4]张嘉陵.无推力补偿器在热力官道上的应用[J].冶金设备，2002.6第4期：46-47.
[5]《動力管道设计手册》编写组.动力管道设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，2016.1.
[6]GB 50316-2000，工业金属管道设计规范[S]
作者简介：2009年10月开始在现公司从事工程技术相关工作，获管理学学士和工学学士学位，助理工程师职称。