管道自然补偿

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(t

2-t

1

)L mm

a——管道在相应温度范围内的线胀系数 mm/m℃

L——管道长度 m

t

1

——管道安装温度℃

t

2

——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≦0.85L

kp

或（L

长

+L

短

）/2≦0.85L

kp

L kp ——极限臂长，是L弯管的臂长达到L

kp

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L

min

概念

L

min

=0.8x0.65(ΔLDw) 1/2 m

L

长≦0.85l

kp

L

短

≧1.15 L

min

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n

f

(倍数)。补偿器的许用疲劳寿命[N]为

[N]=Nc/n

f 而n

f

一般为10～15

由于生产厂家设计选取n

f

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 0

X ——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/ Kt

P 0——补偿器额定压力 MPa

P ——补偿器实际压力 MPa

b. 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。