热力管道补偿及常见补偿器浅谈

热力管道补偿及常见补偿器浅谈
丁真裔
【摘要】论述了热力管道安装运行过程中发生的管道热胀冷缩的问题,详细介绍了几种常用的补偿器形式,并针对各个补偿器的特点进行了阐述,同时也介绍了几种补偿器在实际安装运行中的注意事项及常见的问题.
【期刊名称】《化工装备技术》
【年(卷),期】2018(039)006
【总页数】5页(P28-32)
【关键词】热力管道;补偿器;布置形式
【作者】丁真裔
【作者单位】华东理工大学工程设计研究院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TQ055.8
在热力管道设计时，必须重视管道热胀冷缩的问题。

为了使管道在热态工况下稳定安全地运行，必须减少管道热胀冷缩时所产生的应力。

管道受热时的热伸长量应考虑采用补偿方式来维持管道稳定安全地运行，因此补偿方式的选择显得尤为重要。

常用的补偿方式可分为两大类：一是利用管道本身的弯曲进行自然补偿，二是利用补偿器进行补偿。

1 自然补偿
自然补偿即利用管道本身自然弯曲来补偿管道的热伸长量，当弯管转角小于150°
时才能作为管道的自然补偿。

动力配管设计中常用的自然补偿分别为L形直角弯、Z形折角弯及空间立体弯三类补偿方式。

自然补偿的管道臂长决定了端点处的位移量，因此自然补偿时靠近弯角处管道支架顶面大小应根据管道的位移量进行计算，以免管道自然膨胀导致管托从支架上掉落。

在考虑蒸汽外管网的管道补偿时，自然补偿是不可忽略的，充分利用管道的自然补偿，可以最大限度地减少管道对补偿器的依赖度，降低工程的总造价。

2 补偿器
补偿器按大类可分为方形补偿器（π型补偿）、套筒式补偿器、波纹补偿器及旋转式补偿器。

由于套筒式补偿器容易泄漏、检修频繁、轴向推力大，现在已经较少使用，文中主要介绍几类常用的补偿器。

2.1 方形补偿器
方形补偿器是最常用的补偿器，由四个90°弯头组成。

安装方形补偿器时，一般需对管道进行预拉伸，预拉伸量一般为管道膨胀伸长量的50%，具体如图1所示。

图 1 方形补偿器安装示意图
方形补偿器的优点为制造、维修方便，轴向推力小，运行可靠且不存在介质泄露的隐患。

而其主要缺点是补偿量小、占地空间大，管道变形时会产生较大的横向位移，因此方形补偿器一般较少应用在大管径及高温长直管道。

结合实际经验，方形补偿器一般多用于低温低压且管径较小的管道。

虽然有很多的使用限制，但其优点也是显而易见的，如制造方便、造价低廉，并且不会产生其他补偿器带来的隐患等。

2.2 波纹补偿器
波纹补偿器又称膨胀节，其补偿元件是波纹管，具体结构如图2所示。

在实际操
作过程中，波纹管除了吸收位移外，往往还要承受一定的压力。

膨胀节是一种较为
特殊的受力结构，在使用中既要具备较高的承压能力，还要有良好的柔性，此外还需具有一定的稳定性和疲劳寿命。

因此，膨胀节的设计、选材、制造、试验要求不能等同于一般的压力容器和管件等刚性结构，而有其本身的独特性和复杂性，设计时必须遵循一定的规范和标准。

膨胀节的结构形式有三种：轴向型、横向型、角向型，其具体形式如图3、图4、图5所示。

2.2.1 膨胀节的优缺点
图 2 膨胀节结构示意图
图 3 轴向型膨胀节结构示意图
图 4 角向型膨胀节结构示意图
图 5 横向型膨胀节结构示意图
膨胀节的优点是应用灵活、占用空间小、使用形式多样，可用于吸收管道和设备的轴向、横向、角向及复合位移。

但同时膨胀节也有不易解决的缺点，如轴向型膨胀节会对固定支架产生压力推力，使固定支架受到较大推力，工程造价高；膨胀节管壁较薄，不能承受扭力、振动等作用力，且其安全性能较差，往往是整个管网安全运行中的薄弱点；设备投资大、设计要求严、施工安装精度高、达不到预期寿命等。

2.2.2 膨胀节的实际应用
膨胀节在实际应用中的注意事项如下：
（1）膨胀节通常适用于高温低压的场合。

（2）使用于有疲劳因素的管线时应特别注意膨胀节的使用寿命。

（3）膨胀节绝不应使用于存在扭转力的位置。

（4）应特别注意负压时膨胀节对系统的影响。

（5）任意直管段上两个固定支架之间只能安装一套波纹补偿器。

（6）轴向型波纹补偿器一端应布置在靠近固定支架处，另一端应安设支线导向支
架，第一个导向支架与补偿器间距应为4倍公称直径。

（7）在实际计算过程中，厂商提供的样本只可用于参考，一般建议设计人员提出设计技术要求，并要求制造厂家根据压力、温度、安装控件等参数计算后反馈实际参数。

再利用应力计算软件输入实际参数进行复算，通过适当调整，使各部分模型在负荷、应力、补偿量等各方面满足工艺要求。

此外膨胀节选型时，需特别注意根据系统的实际最大操作压力和操作温度来选择适合的公称压力对应的膨胀节。

过于保守的选择将使膨胀节造价增加，补偿性能降低，使用寿命缩短；反之，则会存在安全隐患。

根据实际经验可知，当一定距离内恰好有企业大门或者道路需要管道翻高时通常会选择在管道立管上安装一组膨胀节，以达到补偿的目的。

此外，目前轴向型膨胀节已经逐渐被淘汰，究其原因是补偿量小且盲板力过大，导致工程造价高，既不经济也不安全。

但当业主有特殊要求，如需要整个管网平直且能隐藏于绿化带时仍可考虑使用。

2.3 旋转补偿器
旋转补偿器主要由密封座、密封压盖、大小头、旋转筒体等构件组成，具体如图6所示。

图 6 旋转补偿器构造图
旋转补偿器的补偿原理是通过双旋转筒和L型力臂形成力偶，使大小相等、方向相反的一对力由力臂绕Z轴中心旋转，使力偶两边热管产生的热胀量被吸收，其作用原理与球形补偿器类似，如图7所示。

从图7可知，在力臂旋转至0.5A（旋转角度）时，管道的横向位移最大值即为Y。

而Y的大小与力臂的长度L有关，L 越大，则Y越大。

由于Y的存在，使得靠近旋转补偿器两侧的支架产生了较大的侧向位移，在实际支架设置中需要注意因侧向位移导致管道掉落的问题。

L的数值越大，相对补偿量也越大，但同时所需的占地空间也越大。

因此L大小的选取需
综合现场空间情况及补偿量要求来决定。

常规设计中，一般L值为1.5～4 m。

图 7 旋转补偿器补偿原理
2.3.1 旋转补偿器的优缺点
旋转补偿器优点较多，具体如下：（1）不产生由介质压力导致的盲板力，只存在使筒体旋转的摩擦力，因此固定支架可做的较小。

（2）密封性能好，有利于管线长期运行。

（3）旋转补偿器适用于低压、中压和高压等各种工况。

（4）在标准参数下，与传统补偿方式相比其压降更低，介质顺通，可使管线输气距离延长20%～30%，大大增加了供热半径，提高了供热单位经济效益。

其缺点大多与长期运行有关：（1）填料长期运行后磨损，造成填料腔内松动，发生泄漏。

（2）长期使用后因管道中介质的不利因素（如氯离子、温度）使填料发生氧化，造成填料内松动，甚至发生泄漏。

2.3.2 旋转补偿器的实际应用
旋转补偿器的安装距离一般为200～500 m，由于其补偿量很大，所以一般越靠近旋转补偿器侧管道的轴向位移越大，设计时需确认管托的长度是否足够防止管道从支架上掉落。

此外，由于固定支架间距离增大使摩擦力累加，因此当管道补偿量较大时一般建议使用滚动式支架，不仅可以减小固定支架承受的摩擦力，也可以减少支架的土建成本。

通常情况下DN200以上管道一般建议使用滚动支架，土建节省的成本远大于滚动管托增加的成本。

另外，在实际使用中，还需控制旋转补偿器旋转角度A的大小，因为A角的大小直接影响密封材料的使用寿命，一般管道管径越大，A角应越小。

在实际应用中，旋转补偿器的补偿形式有很多种，现主要介绍单管布置及双管布置这两种形式。

（1）单管布置
单管布置情况下，旋转补偿器的主要布置形式如图8所示。

图 8 旋转补偿器单管布置形式
（2）双管布置
由于旋转补偿器的安装需要一定的横向空间，一般为1.5～4 m，所以当采用双管
敷设时，需要找到最合理的布置方式。

目前，较为常用的布置方式如图9所示。

图 9 旋转补偿器双管布置形式
Z型补偿占地空间较大，交叉型补偿占地空间相对较小。

但由于交叉型补偿初始角度较大，导致在长距离补偿情况下，管道侧向位移量较大，因此需特别注意两侧支架的顶面宽度。

此外，双管布置时需避免两根管道碰撞的问题，交叉型补偿只需保证两根管道同时运行时不碰撞，便可保证所有工况下的安全运行，而Z型补偿只
需保证外侧管道运行而内侧管道不运行的情况下管道相互不碰撞。

无论采用何种补偿方式，均需结合现场地形的实际情况合理选择。

2.4 球形补偿器
球形补偿器主要由球体与密封装置等元件组成（详见图10），通过球体的角位移
来吸收或补偿管道一个或多个方向上的横向位移。

球形补偿器应成对使用，单台使用时不具备补偿能力，但仍可作为管道的万向接头使用，其补偿原理如图11所示。

图 10 球形补偿器构造图
图 11 球形补偿器补偿原理
2.4.1 球形补偿器的优缺点
球形补偿器的优点为补偿能力大（为方形补偿器的5～10倍）、占地空间小、流
体阻力小、安装便捷、投资较小等；其缺点则是存在侧向位移、易泄漏、维修频繁。

2.4.2 球形补偿器的实际应用
球形补偿器常用于L型，Z型和π型管段（详见图 12）。

图 12 球形补偿器补偿形式
球形补偿器适用于L2管段较短（L2＜7 m）的管道，主要用于吸收L1管段的热
膨胀量。

实际运行中发现，球形补偿器的主要泄漏点是其与管道连接的法兰处，所以该处最好采用焊接，而尽量少用法兰连接。

球形补偿器应尽可能靠近弯头布置，即尽可能加长球心距。

此外在空间允许的情况下，为保证安全运行,最好采用无冷
定位安装球形补偿器。

在旋转补偿器没有广泛应用之前，球形补偿器的使用比较频繁。

但由于旋转补偿器补偿原理与球形补偿器相近，补偿距离更远，导致球形补偿器逐渐被旋转补偿器所替代。

3 总结
补偿器具有补偿量大、流动阻力小等诸多优点，因此在热网管道中应用越来越广泛。

但每种补偿器都存在各自的优缺点，因此设计工作者需要了解各类补偿器的补偿原理，并结合相应的工程情况选用合适的补偿器，可以保障管道运行安全，并且大大降低工程的造价，起到事半功倍的效果。