蔡欣

（秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司 秦皇岛市 066001）

0 引言

玻璃、水泥等行业的动力管道设计时必须考虑管道的热胀冷缩问题。为使管道在热状态下稳定和安全，并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预以补偿（吸收）。

1 补偿器分类

动力管道的补偿可采用自然补偿和利用补偿器补偿两种方式。自然补偿即利用管道布量的自然弯曲和扭转产生变形来吸收管道的热伸长，以消除管道的热应力，动力管道的设计应尽量采用自然补偿，当自然补偿无法满足补偿要求时，可设置补偿器进行热补偿。补偿器类型有方形补偿器、波纹补偿器、套筒补偿器、球形补偿器等。选择补偿器时，应根据敷设条件，采用维修工作量小、工作可靠、价格相对合理的补偿器。

1.1 管道的自然补偿

在实际工程中，管道的走向常常出现L形直角弯、Z字形折角弯及空间立体弯等典型管段，自然补偿就是利用这种管道自身的弯曲（柔性）来补偿管道的热伸长。

1.2 管道的补偿器补偿

1.2.1 波纹补偿器补偿

在实际工程中部分动力管道很难用自然补偿方法来吸收其热胀位移，或者用自然补偿法不经济等情况，应考虑使用波纹补偿器。波纹补偿器，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。用于压力不太高的动力管道中，能够补偿管道的热位移，机械变形和吸收各种机械振动，起到降低管道变形应力和提高管道使用寿命的作用。

波纹补偿器按连接方式分为法兰连接和焊接2种；按膨胀节自身能否承受压力推力将膨胀节分为非约束型和约束2种型式，非约束型膨胀节自身不能承受压力推力，约束型膨胀节自身能承受压力推力；按照吸收位移类型分为轴向型、角向型、横向型和万向型4种型式。波纹补偿器波纹管材质一般为奥氏体不锈钢，如SUS304、SUS321、SUS316和SUS316L。

1.2.2 方形补偿器补偿

方形补偿器由管子弯制或由弯头组焊而成，利用刚性较小的回折管挠性变形来补偿两端直管部分的热伸长量。其优点是制造方便，补偿能力大，轴向推力小，维修方便，运行可靠；缺点是占地面积较大，介质流动阻力较大。但方形补偿器由于其稳定可靠的优点，是工程中使用最广泛、结构最稳定的补偿器。

1.2.3 套筒补偿器补偿

套筒补偿器称管式伸缩节，是热流体管道的补偿装置，主要用于直线管道敷设后出现的轴向热膨胀位移吸收补偿，是一种直接安装在任何输送无腐蚀的单向或多向流体的管道之中的补偿器，主要有套筒（芯管）、外壳、密封材料等组成，用于补偿管道的轴向伸缩及任意角度的轴向转动。具有体积小、补偿量大的特点，适用于热水、蒸汽、油脂类介质，通过滑动套筒对外套筒的滑移运动，达到热膨胀的补偿。套筒补偿器的缺点是容易泄露，维护工作量大，且固定推力较大，因而逐渐较少采用。

1.2.4 球形补偿器补偿

球形补偿器主要依靠球体的角位移来吸收或补偿管道一个或多个方向上横向位移，该补偿器应成对使用，单台使用没有补偿能力，但它可作管道万向接头使用。球形补偿器补偿能力大，适宜长距离管道采用，但易于泄露的缺陷始终未被广泛应用。

2 管道热补偿的计算

设置热补偿器的目的，就是为了吸收管道热膨胀量，而不会损坏与管道连接的设备及管道本体等。为使动力管道位移在合理范围内，应根据管径、管道敷设方式、管道补偿器的类型等，设置管道固定支架以及管道补偿器，均匀分配动力管道的热伸长量，保证热力管道、热补偿器安全可靠地工作。

本文主要就常用的自然补偿器、方形补偿器以及波纹补偿器进行简单的计算说明。

2.1 管道热伸长量

管道热伸长量按下式计算：

式中：DL—热伸长量，cm；

a—管材的线膨胀系数，cm/（m·℃），

见表1；

L—计算管道的长度，m；

t2—管内介质温度，℃；

t1—管道安装温度，℃。

表1 常用钢材的线膨胀系数 /×10-4cm·m-1· ℃-1

2.2 管道自然补偿器的计算

当弯管转角小于150°时，该弯管具有自然补偿能力，能用作自然补偿；大于150°时，该弯管不具有自然补偿能力，不能用作自然补偿。自然补偿的管道臂长不应超过20～25 m。弯角处的应力不应超过［s］＝78.48 MPa。

自然补偿器包括： L形补偿器、Z形补偿器和空间补偿器。

①l型直角弯补偿器如图1所示，其短臂长度l的计算公式为：

式中：l—计算管道短臂长度，m；

DL—长臂L的热伸长量，mm；

D—管道外径，mm。

图1 L型补偿器

② Z型补偿器如图2所示，其短臂长度l的计算公式为：

式中：l—计算管道垂直臂长度，m；

Dt—计算温差，mm；

E—管道材料的弹性模量，MPa；

D—管道外径，mm；

［s］—管道材料的许用应力，MPa；

K—L1/L2，L1为长臂长度，L2为短臂长度。

图2 Z型补偿器

③空间补偿器如图3所示。

图3 空间补偿器

固定支架之间，其空间补偿能力能否满足要求，可按下式进行验算：

式中：D—管道外径， mm；

DL—管道三个方向热伸长量的向量总和，cm；

L—管道展开总长度，m；

U—管道两端固定点之间的直线距离，m。

式（4）使用条件：①一根管道、管材管径一致；②两端必须是固定点；③中间无限位支吊架；④无分支管。

2.3 方形补偿器的计算

方形补偿器是动力管道设计中最常用的一种补偿器，由4个90°弯头组成，见图4。两固定支架之间，应按照热伸长量计算公式，计算最大膨胀量，依据管径、膨胀量及类型，按表2选用方形补偿器。常用的有4种类型： 1型（B=2A）、2型（B=A）、3型（B=0.5A）、4型（B=0），方形补偿器选型见表2。

图4 方型补偿器

表2 方形补偿器选型参数

续表2

2.4 波纹补偿器的计算

波纹补偿器为非标准设备，应根据管道介质最大工作压力、最大工作温度、固定支架间最大热伸长量（按2.1计算）、波纹补偿器的类型型号、提供设备波纹管厂家非标计算选择。可按照计算出的补偿量，直接查取补偿器设备样本，然后按照样本反馈的刚度及压力面积，校核固定点推力。

3 管道热补偿使用原则及安装注意事项

3.1 冷紧、自冷紧以及冷紧比值的选取

冷紧是指在安装时（冷态）使管道产生一个初位移和初应力的一种方法。如果热胀产生的初应力较大时，在运行初期，初始应力超过材料的屈服强度而发生塑性变形，或在高温持续作用下，管道上产生应力松弛或发生蠕变现象，在管道重新回到冷态时，则产生反方向的应力，这种现象称为自冷紧。

冷紧的目的是将管道的热应变一部分集中在冷态，从而降低管道在热态下的热胀应力和对端点的推力与力矩，也可以防止法兰连接处弯矩过大而发生泄漏，但冷紧不改变热胀应力范围。

冷紧比为冷紧值与全补偿量的比值。对于材料在蠕变温度下工作的管道，冷紧比宜取0.7。对于材料在非蠕变温度下工作的管道，冷紧比宜取0.5。

3.2 方形补偿器的应用要求

方形补偿器结构简单、运行可靠、投资少，应优先选用。方形补偿器应设置在两固定点中部，为防止管道横向位移过大，应在方形补偿器两侧设置导向架，导向支座与方形补偿器的距离一般取管径的30～40倍，见图5。

图5 方形补偿器安装要求

安装方形补偿器时一般必须冷紧，冷紧值：当介质温度250 ℃时，为计算热伸长量的50%；当介质温度为250～400 ℃时，为计算热伸长量的70%。

3.3 波纹补偿器的应用要求

在工程设计中，经常由于工艺、布置空间等方面的要求，尤其是高温低压的场合而使用金属波纹膨胀节，这些因素是千变万化的，因而，在膨胀节的选型、安装位置等方面的设计及计算应符合下列要求。

3.3.1 补偿器的选型及计算

①波纹补偿器通常适用于高温低压场合；

②对于有疲劳因素的管线应特别注意补偿器的使用寿命（安全循环次数）；

③波纹补偿器绝不应使用于有扭转的位置；

④应特别注意负压时波纹补偿器对系统的影响；

⑤波纹补偿器订货和安装时，应考虑预拉伸，预拉伸量为50%。

3.3.2 无约束轴向补偿器布置应符合以下要求

①两个固定支座间仅能布置一个补偿器；

②固定支座必须具有足够的强度，以承受内压推力的作用；

③对管道必须进行严格保护，尤其是靠近补偿器的部位应设置导向支架，第一个导向支架与补偿器的距离应小于或等于4倍公称直径，第二个导向支架与第一个导向支架的距离应小于或等于14倍公称直径，其余中间支架最大间距不应超过Lmax，以防止管道有弯曲和径向偏移造成补偿器的破坏，见图6。

图6 波纹补偿器安装要求

式中：Lmax—导向支架之间的最大间距，mm；

E—管道材料的弹性模量，MPa；

I—管道横截面的惯性矩，mm4；

P0—设计压力， MPa；

A—波纹管的有效面积（见厂家资料），mm2；

K—膨胀节的轴向刚度，N/mm；

DL—膨胀节的轴向位移， mm；

±—工作状态下波纹管受压采用“+”，波纹管收拉伸采用“-”；

t—管道的壁厚，mm；

Dm—管道的平均直径，mm。

3.3.3 波纹补偿器施工安装应注意的问题

①波纹补偿器的施工和安装应与设计要求相一致；

②波纹补偿器上的箭头表示介质流向，应与实际介质流向相一致，不能装反；

③固定支架和导向支架等应严格按照设计图纸进行施工，需要改动时应经原分析设计人员认可；

④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；

⑤波纹补偿器的安装使用应严格按照产品安装说明书进行，禁止采用使膨胀节变形的方法来调整管道的安装偏差；

⑥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；

⑦在管道系统（包括管道、膨胀节和变架等）安装完毕、系统试压之前，应将膨胀节的运输保护装置拆除或松开。按照国标GB/T 12777—2008《金属波纹管膨胀节通用技术条件》的规定，运输保护装置涂有黄色油，应注意不能将其他部件随意拆除；

⑧对于复式大拉杆波纹补偿器，不能随意松动大拉杆上的螺母，更不能将大拉杆拆除；

⑨装有波纹补偿器的管道，进行水压试验时，应考虑设置适当的临时支架以承受额外加到管道和波纹补偿器上的荷载，试验后应将临时支架拆除。水压试验用水氯离子含量不超过25×10-6，水压试验结束后，应尽快排除波壳中的积水，并迅速将波壳内表面吹干。

3.4 球形补偿器的应用要求

相当于波纹和套筒补偿器，球形补偿器有其特殊性，因为球形补偿器本体主要以补偿旋转角度为主，所以为了补偿管线膨胀，球形补偿器在设计中往往成组出现，如一对两个或三个，有的还可以二对四个等形式。如图7所示。

图7 球形补偿器工作原理图

球形补偿器计算主要以满足补偿器的折屈角为主，在允许的条件下，应选用较大的球心距，以便在折屈角不变的情况下获得较大的补偿量或使球体转动角度减小，获得较合理的工作条件，延长补偿器寿命。

4 结语

动力管道优选自然补偿器补偿，当自然补偿不能满足要求的时候，采用其他形式的补偿器。各种类型补偿器优缺点明显，且有针对性，并不是一概不用，也不可随意设置。设计选型、制造到安装施工等各环节，设计人员和施工单位应重视补偿器在动力管道中的重要作用，按照规范要求，将补偿器这项工作做好。