管道自然补偿培训课件

3．自然补偿3．1 利用管道自然弯曲形状（或设计成L或Z管道）所具有的柔性，补偿其管道自身的热胀和端点的位移称之为自然补偿。

蒸汽直埋管道正是在温度变化时，弯管部分塑性变形和一定量的弹性变形实现管道的自然补偿的。

热力管道热伸长量ΔL=a(t2-t1)L mma——管道在相应温度范围内的线胀系数 mm/m℃L——管道长度 mt1——管道安装温度℃t2——管道设计使用（介质）温度℃上式计算的管道伸长量ΔL是相对保守的，它没有考虑管道与其接触面（保温材料等）摩擦约束作用、相对位移影响等。

3．2 L型自然补偿文献[8]提出 L长≦0.85Lkp或（L长+L短）/2≦0.85LkpL kp ——极限臂长，是L弯管的臂长达到Lkp时热胀和内压作用弯头处引起综合应力达到安定性变形的极限值2σs。

通常Q235，σs取80MPa。

此与L=1.1x[(ΔLDw)/300]1/2计算结果基本一致。

对于绝大多数蒸汽直埋保温管多采用钢外套或玻璃钢/钢外套管形式，这不同于架空软质外套保温，要求工作管除自身应力满足安全需要外，外护管还必须有足够空间，保证工作管道的膨胀或位移不受外套管的阻碍、限制，同时保证绝热效果良好。

这就在某些工况下，要求设有补偿直管段（较通常管径扩大的直管段）或补偿弯头（偏心补偿驼背弯头）等。

3．3 Z型自然补偿文献[8]提出最小短臂长度Lmin概念Lmin=0.8x0.65(ΔLDw) 1/2 mL长≦0.85lkpL短≧1.15 Lmin同时满足上两式要求，才能保证管道塑性变形不超过安定范围。

即短臂不过短，刚度不过大，不引起强度破坏或疲劳破坏。

Z型也可按两个L型进行补偿计算。

3．4 图解L型补偿随着科技进步，蒸汽直埋保温管设计结构有新的发展，可位移固定墩问世应用（1998）。

文献[5]介绍了在不考虑弯管柔性系数和应力加强系数情况下，利用经验绘制的图表可迅速的对L管道进行柔性补偿判断，确定长、短臂尺寸。

此石化系统应用广泛，也满足热力无分支管道使用。

L短=k L长k值由图1查出对于一端固定有位移时，采用图2进行图表解求短臂长度。

4．补偿器补偿4．1 在蒸汽直埋管道中，采用补偿器进行管道的热补偿，实践证明是有效和科学的。

特别是我国近年设计、制造、开发热网用补偿器取得骄人的进步：大补偿量、小刚度、变推力、平衡式以及不设井室全封闭、自导向、抗扭曲直埋波纹膨胀节和单密封、双密封、柔性填料套筒式补偿器相继推出，SEBF（环氧粉末喷涂）高防腐性以及密封防水封端设计、无约束直埋技术，极大地为城镇供热直埋蒸汽保温管道的发展推广做出贡献。

目前П型（方形）补偿器在直埋管道因占地大、躲障困难很少应用，球型、铰链补偿器虽然变形应力小、流体阻力也小，但因结构复杂、密封困难，出现事故难维修，在直埋管道中极少应用。

4．2 补偿器设计选择（1）补偿器设计选择原则补偿器设计选择是热网中六大技术关键之一，也是直埋管道热网事故多发所在，是管系中最薄弱环节。

设计选择必须坚持：1）结构科学，技术成熟；2）材质保证，工艺严谨；3）参数正确（压力、温度、位移量、许用疲劳寿命、预变形等）设计无误；4）检验规范，安全可靠；5）防腐保温，质量确保。

再加上正确安装，合理的操作，就会减少或杜绝由补偿器给我们带来的事故隐患。

（2）波纹膨胀节的许用疲劳寿命补偿器中的波纹管件是在材料屈服极限的高应力状态下工作，每一次变化都不能恢复其原来的自由长度而留有残余变形，往复循环，残余变形累计到一定程度，波纹管就会发生破坏，而破坏的循环次数称之为补偿器的疲劳寿命Nc。

实际应用时，取一定的安全系数nf(倍数)。

补偿器的许用疲劳寿命[N]为[N]=Nc/nf 而nf一般为10～15由于生产厂家设计选取nf值不同，实际补偿器[N]也大不相同，相差甚大。

行标“城镇供热预制蒸汽保温管技术规程”中，要求管道寿命25年以上，实际直埋管道，由于使用负荷变化，操作频率大，昼夜用量不均，这就要求制造厂家，提供的产品[N]≥1000次以上。

文献[4]提供膨胀节许用疲劳寿命的推荐值如表1。

膨胀节许用寿命的推荐值热力管网，投资强度大，特别是蒸汽直埋管道，一次性投资更为偏重，这就更要求我们用好资金，加强薄弱环节的力度，提高波纹补偿器的许用疲劳寿命达到化工I 级管道点应力循环次数7000次水平，才能保证管道安全。

波纹节补偿器的位移量，也称补偿量，与疲劳寿命有关。

次数多，位移量就小；反之，次数少，补偿量就大。

文献[8]给出产品补偿量修正系数C N 如表2。

X=C N X 0X ——许用疲劳循环次数下的修正补偿量C N —— 补偿量修正系数X 0——设计条件下的补偿量值（200次） 各供应制造厂修正系数不同，设计选用时应注意。

图3给出了国标GB16749“压力容器膨胀节”波纹补偿器循环次数对位移量修正曲线数据。

（3）使用温度对补偿器压力、位移量的影响各膨胀节生产厂，由于设计温度T 、压力P 不同，采用的安全疲劳系数n f 不同，波纹补偿器具有的性能相差很大。

故设计选择时一定要明确这些关键技术参数值。

a. 温度对压力的影响如某公司[7]样本列出温度影响系数Kt ，见表3。

（此300℃为设计基准） 两者明显不同，但 P 0=P/ KtP 0——补偿器额定压力 MPaP ——补偿器实际压力 MPab. 温度对位移量的影响对各种不同材质的波纹膨胀节，温度对位移量（补偿量）影响也不同。

文献[2]给出了多种材料波纹管温度对位移量的修正曲线。

详见图4a 、4b 。

图4a 分析，Q235A 材质，150℃前不变化，300℃降为0.75。

从图4b 分析，不锈钢0Cr19Ni9等材料，25℃开始变化1.13，150℃降为1.01水平，250℃时为1.00，至350℃不变。

可见不锈钢在高温度时位移量修正影响比Q235A 小。

根据此性能，我们建议直埋蒸汽管外套管（外护管）如设有补偿时，应选择碳钢Q235A 或相应材料为宜，而工作管补偿器就不能像过去有的厂家为“降低成本”夹设碳钢材料在内，此是危险的。

实践证明，其寿命也确实不长。

（4）膨胀节（补偿器）补偿量的确定综上所述，膨胀节的补偿量相对不是一个定数，工作温度影响压力，同时也影响位移量。

这就要求我们设计时，必须通盘考虑许用疲劳寿命（次）、安全系数、实际的工作温度、压力和补偿器可提供的位移（补偿量）。

建议，依照CJJ34-2002（J216-2002）设计规范[10]要求，蒸汽直埋保温管道补偿器宜按：通常工作压力/公称压力=0.75，通常工作位移/额定位移=0.70，来选择补偿器，才能确保超常规安全裕度，使城镇供热管网压力管道寿命在25年以上，点应力循环次数在7000次水平。

（5）热网工程中波纹膨胀节损坏的事故分析波纹膨胀节是典型低频疲劳部件（即频率<105），其波峰和波谷处于塑性高应力范围内，极易在较低的循环次数下发生疲劳破坏而失效。

蒸汽直埋管道在输送介质、气流脉冲、阀门开启、封关、分支节点、弯管阻力变化，特别是管道的汽水冲击——水锤，使之管道发生变频震动。

波纹破坏的主要原因是疲劳破坏，腐蚀破坏以及扭曲破坏：1）水质处理不好，蒸汽中含有Cl离子，造成不锈钢波纹点蚀或晶格腐蚀；2）输送介质高压蒸汽，线速υ>30m/s以上，在三通、弯头、阀门处形成湍流，使之补偿器原设计的导流筒低频大幅震动而破坏，特别是大口径，大补偿量导流筒L>460mm以上更易发生导流筒疲劳断裂，吹掉；3）设计或操作失误，造成汽水冲击，爆破性水锤，严重打（震）破波纹管元件；4）大口径螺旋管道，因其内应力没消除，使之恢复应力造成波纹节扭曲破坏；5）安装偏转，固定墩发生滑移，应力失去平衡，也是造成波纹元件扭转（曲）变形破坏的原因之一。

上述几点，我们必须在设计、安装、制造、操作中注意防范。

4．3 柔性填料套筒补偿器近年来，军转民，许多国防骨干企业转民用发展，柔性填料套筒补偿器诞生就是一例[7]。

早在1989年经省级技术鉴定，93年又申请授权专利，94年获辽宁省高新技术金奖的RMT型套筒补偿器实际应用多年，效果良好。

它补偿量大，造价低，安全可靠（带限位环）。

泄漏小，寿命长8～10年维修一次。

在不停汽，不降低正常工作压力的情况下，采用压力枪注射密封填料为生产、维修带来更大方便。

为提高使用寿命，内筒采用喷射工艺，增强了防腐性能，消除Cl离子晶格腐蚀和应力腐蚀。

结合管道分支、设阀井室操作，选用套筒式补偿器作管道热补偿是科学、经济、安全的。

5．结束语（1）蒸汽直埋管道热补偿，结合管路走向（路由）采用自然补偿方式经济、合理、可靠、安全。

使用推制弯管，消弱弯头顶部最大环向应力及与凸面相差15°～20°最大轴向应力区影响，避免弯头焊口处综合应力大。

最危险[3]出现，是L型补偿有效措施。

（2）Z型自然补偿器，可看成2个L补偿组合。

在保证短臂最小长度，受力最大的是Z型管道的两个端点处，应采用有效技术措施处理。

（3）图解L型补偿器设计，除带多分支、节点管道外，一般均可使用，是一经济、迅速的科学方法。

（4）采用波纹膨胀节补偿直埋蒸汽管道热位移，是有效技术途径之一。

温度、压力，许多疲劳寿命和位移补偿量应科学确定。

并留足够的安全裕度。

消除或减弱因补偿器管道设计薄弱环节带来的事故隐患。

（5）柔性填料套筒补偿器在直埋管道设计时与井室结合应用，效果好，节约投资，便于维修，使用寿命长。

（6）蒸汽直埋管道外护管补偿时宜选用碳钢波纹材质补偿器，不必用价格高不锈钢补偿器。

上述之说，仅一孔之见，敬请指证。

参考文献[1]《金属波纹膨胀节通用技术案件》国家技术监督局GB/T12777-99[2]《压力容器波纹膨胀节》国家技术监督局GB16749-1997[3]杨明学《直埋式预制高温保温管道的热补偿和设计》《新型建筑材料》1999年第1期[4]李永生李建国《波形膨胀节实用技术——设计、制造与应用》[5]《石油化工装置工艺管道安装设计手册》第一篇设计与计算中国石化出版社1994第1版[6]《城市供热管道用波纹补偿器》中华人民共和国建设部CJ/T3016[7]《城市供热补偿器焊制套筒补偿器》中华人民共和国建设部CJ/T3016.2[8]《波纹膨胀节系列专利产品》沈阳波纹管制造有限公司样本 1997[9]《热网用波纹补偿器》北京兴达波纹管有限公司样本2003[10]陈友焰 RMT型“柔性填料套筒式补偿器”专利ZL93229818.4及产品说明书中航工业总公司沈阳黎明发动机制造公司冶金处[11]中华人民共和国行业标准城市热力网设计规范CJJ34-2002、J216-2002。