补偿器原理及计算

补偿器
解释：补偿管线因温度变化而伸长或缩短的配件，热力管线上所利用的主要有波形补偿器和波纹管两种。

一. 补偿器简介：
补偿器习惯上也叫膨胀节，或伸缩节。

由构成其工作主体的波纹管（一种弹性元件）和端管、支架、法兰、导管等附件组成。

属于一种补偿元件。

利用其工作主体波纹管的有效伸缩变形，以吸收管线、导管、容器等由热胀冷缩等原因而产生的尺寸变化，或补偿管线、导管、容器等的轴向、横向和角向位移。

也可用于降噪减振。

在现代工业中用途广泛。

二.补偿器作用：
补偿器也称伸缩器、膨胀节、波纹补偿器。

补偿器分为：波纹补偿器、套筒补偿器、旋转补偿器、方形自然补偿器等几大类型，其中以波纹补偿器较为常用，主要为保障管道安全运行，具有以下作用：
1.补偿吸收管道轴向、横向、角向热变形。

2. 波纹补偿器伸缩量，方便阀门管道的安装与拆卸。

3.吸收设备振动，减少设备振动对管道的影响。

4.吸收地震、地陷对管道的变形量。

三.关于轴向型、横向型和角向型补偿器对管系及管架设计的要求
（一）轴向型补偿器
1、安装轴向型补偿器的管段，在管道的盲端、弯头、变截面处，装有截止阀或减压阀的部们及侧支管线进入主管线入口处，都要设置主固定管架。

主固定管架要考虑波纹管静压推力及变形弹性力的作用。

推力计算公式如下：
Fp=100*P*A
Fp-补偿器轴向压力推（N），
A-对应于波纹平均直径的有效面积（cm2），
P-此管段管道最高压力（MPa）。

轴向弹性力的计算公式如下：
Fx=f*Kx*X
FX-补偿器轴向弹性力（N），
KX-补偿器轴向刚度（N/mm）；
f-系数，当“预变形”（包括预变形量△X=0）时，f=1/2，否则f=1。

管道除上述部位外，可设置中间固定管架。

中间固定管架可不考虑压力推力的作用。

2、在管段的两个固定管架之间，仅能设置一个轴向型补偿器。

3、固定管架和导向管架的分布推荐按下图配置。

补偿器一端应靠近固定管架，若过长则要按第一导向架的设置要求设置导向架，其它导向架的最大间距可按下计算：
LGmax-最大导向间距（m）；
E-管道材料弹性模量（N/cm2）；
i-tp 管道断面惯性矩（cm4）；
KX-补偿器轴向刚度（N/mm），
X0-补偿额定位移量（mm）。

当补偿器压缩变形时，符号“+”，拉伸变形时，符合为“-”。

当管道壁厚按标准壁厚设计时，LGmax可按有
关标准选取。

（二）横向型及角向型补偿器
1、装在管道弯头附近的横向型补偿器，两端各高一导向支座，其中一个宜是平面导向管座，其上、下活动间隙按下式计算：
ε-活动间隙（mm）；
L-补偿器有效长度（mm）；
△Y-管段热膨胀量（mm）；
△X-不包括L长度在内的垂直管段的热膨胀量（mm）；
2、角向型补偿器宜两个或三个为一组配套使用，用以吸收管道的横向位移，对Z形和L形管段两个固定管架之间，只允许安装一个横向型补偿器或一组角向型补偿器。

此时平面铰链销的轴线必须垂直于弯曲管段形成的平面（万向铰链补偿器不受此限制）。

装有一组铰链补偿器的管段，其平面导向架的间隙ε亦可按上式计算。

但是L长度应为两补偿器铰链轴之间的距离，△X是整个垂直管段的热膨胀量。

3、补偿器两侧的导向支座应接近补偿器，支座的型式应使补偿器能定向运动。

三.供热管道直埋式补偿器安装要求
（一）用途：
直埋式波纹补偿器主要用于直埋管线的轴向补偿，具有抗弯能力，所以可不考虑管道下沉的影响，产品具有补偿量大，寿命长的特点。

（二）使用说明：
直埋式波纹补偿器主要适用于轴向补偿，同时具有超强抗弯能力，所以不考虑管道下沉的影响。

直埋式波纹补偿外壳及导向套筒保护下实现自由伸缩补偿，其它性能跟普通波纹补偿器相同。

（三）选用与安装：
3.1管道最大安装长度计算
有补偿直埋的管道应在二处高固定点，一是在直管段的端部，二是在管道的分支处。

长的无分支的直线管道两补偿器之间可以不设固定点，靠管道自然形成的“驻点”即可发挥固定点的作用。

驻点是两补偿器之间管道的那个不动点，在管径相同，埋深一致时，驻点与两补偿器间的距离相等。

褡补偿器（包括转角处自然补偿器）至固定点之间的距离不得超过管道的最大安装长度Lmax，管道最大安装长度的定义是固定点至自由端（补偿器）的长度，在此长度下产生的摩擦力不得超过管道许用应力下相应的弹性力。

Lmax按下式计算：
常用管道的最大安装长度Lmax。

应考虑16kgf/cm2内压力所产生的环向应力的综合影响。

3.2固定支座的设计计算
具有2个管道分支并在主干线上有一处转角管道平面，补偿器的布置应满足Ln＜Lmax的条件。

驻点G1、G2的推力为零，所以，此点处不必设置固定支座，但为了防止回填土的不均匀，埋深的不一致和预制保温管外壳粗糙度的不规则等可能会造成驻点的漂移，所以，对处于驻点位置的管道分支处G1、G2需设置支座，以G1为例其轴向推力可按下式计算：
F1=Pb2+L2f-0.8(Pb3+L2f)
式中F1-固定支座G1的水平推力，kgf；f-管道单位长度摩擦力，Kgf/m
Pb2-B2膨胀节的弹性力，Kg；Pb3-B3膨胀节的弹性力，Kgf
k2-B2膨胀节的刚度，Kgf/mm；
△L2-B2膨胀节的补偿量，mm；
L2-膨胀节至G1的距离，m；
假如某一分支如自G2接出的分支带有补偿器B。

那么，G2还受到一侧向推力的作用，如图中的F2（y），
当L5很短（实际布置时L5也应很短），那么，侧向力F2（y）的大小为：
F2(y)=Pn*A5+Pb5
式中Pn-管道工作压力，Kgf/cm2
A5-B5膨胀节的有效面积，cm2；
Pb5-B5膨胀节的弹性力kgf。

固定支座G3也驻点位置，从管道和土壤的摩擦力来讲，该点也受到大小相等，方向相反的两个时作用，但应注意到该点同时又受到转角处的盲板力的作用，考虑驻点漂移的影响，固定支座G3的推力
F3=1.2Pn*A4
式中F3-作用在固定支座G3的水平推力，Kgf；
Pn-管道工作压力，Kgf/cm2；
A4-B4膨胀节的有效面积，cm2。

3.3补偿器的选用计算
直埋管道由于土壤摩擦力的影响,实际热伸长量要比架空和地沟敷设的管道热热伸长量要小。

架空和地沟敷设时的伸长量：α·△t·L
直埋敷设时，因土壤摩擦力影响的热伸长减少量：
实际热伸长量为：
式中E-钢管弹性模理，kgf/cm2；
α-钢管的线膨胀系数，取0.0133mm/m℃；
△t-管道温差；
A、f-同公式①；
L-两固定点之间的距离（最大安装长度）m。

在实际工作中，直埋管道的热伸长量，采用丹麦摩勒公司的简化算法。

式中符号同以上公式相同。

按②或③式计算出实际热伸长量后，按系列表选用相应的补偿器。

3.4安装
直埋式膨胀节（不包括一次性直埋式）安装时应有两个后年度护圈（如下图），且护圈的壁厚不应小于管道的壁厚，设置护圈1的目的是为管道受热膨胀时，A尺寸范围内有土、砂等进入，图中的各尺寸为：直埋式波纹补偿器出厂时，所有外露表面已刷防锈漆两遍，直埋式波纹补偿器及其直埋管道的其它要求为：（1）保温管埋于地下时，四周需用粒度小于20毫米的砂子填充，然后再覆盖原土，填充砂子的厚度不小于200毫米。

（2）保温管顶的埋深一般不超过1.2米，但也尽量不要小于0.7米，，保温管可直接埋在各种管道下面。

（3）如图，除A处外，其余均保温，因管道膨胀时A处不保温并不会造成显著的热损失。

也是由于护圈的作用，直埋补偿器可以直埋处于车行道下面。

（4）直埋式补偿器安装不必冷紧，也不必按全线钢管接好后再割下和膨胀节等长管道之后再焊接的方法。

使用直埋型膨胀节，不必设导向支架。

（5）安装时要注意保证导流套筒的方向与流动方向的一致。

（6）补偿器内介质应进行除游离氧和除氯离子处理，氯离子含量不得超过25PPm。

（7）补偿器允许不超过1.5倍公称压力的系统水压试验。

（8）补偿器安装完毕进行系统水压试验前，要将管道两端固定，防止内压推力拉伸补偿器。

四.补偿器安装和使用要求
1、补偿器在安装前应先检查其型号、规格及管道配置情况，必须符合设计要求。

2、对带内套筒的补偿器应注意使内套筒子的方向与介质流动方向一致，铰链型补偿器的铰链转动平面
应与位移转动平面一致。

3、需要进行“冷紧”的补偿器，预变形所用的辅助构件应在管路安装完毕后方可拆除。

4、严禁用波纹补偿器变形的方法来调整管道的安装超差，以免影响补偿器的正常功能、降低使用寿命及增加管系、设备、支承构件的载荷。

5、安装过程中，不允许焊渣飞溅到波壳表面，不允许波壳受到其它机械损伤。

6、管系安装完毕后，应尽快拆除波纹补偿器上用作安装运输的黄色辅助定位构件及紧固件，并按设计要求将限位装置调到规定位置，使管系在环境条件下有充分的补偿能力。

7、补偿器所有活动元件不得被外部构件卡死或限制其活动范围，应保证各活动部位的正常动作。

8、水压试验时，应对装有补偿器管路端部的次固定管架进行加固，使管路不发生移动或转动。

对用于气体介质的补偿器及其连接管路，要注意充水时是否需要增设临时支架。

水压试验用水清洗液的96氯离子含量不超过25PPM。

9、水压试验结束后，应尽快排波壳中的积水，并迅速将波壳内表面吹干。

10、与补偿器波纹管接触的保温材料应不含氯离子。