旋轉補償器在配管設計中的應用

吳 濤， 郝春蘭

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

旋轉補償器在配管設計中的應用

吳 濤， 郝春蘭

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

旋轉補償器具有補償量大、設計方便、安全性能高等優點，因而被越來越多的設計者選用。文章以實際工程為例，介紹了旋轉補償器的工作原理及在配管過程中如何確定各參數的值。

旋轉補償器； Π型組合； 預偏裝量

0 前言

隨著社會的進步，節約經濟、控制成本成為了社會普遍關注的熱點和國家的基本政策。由于旋轉補償器具有補償量大、設計方便、安全性能高、組合形式多等優點，越來越多的配管工程師在配管設計時選用了旋轉補償器。因為旋轉補償器既可以設置在直管段的任意位置進行熱補償，又能利用管線自然轉角布置以滿足管系熱補償的要求。相對于其它形式的補償器，旋轉補償器可以減少管系補償器的個數及固定支架的設置數量。另外，采用旋轉補償器時，固定支座的推力比較小，從而降低了土建工程量、節省工程投資，而且在一定程度上簡化了管網的設計難度。

1 項目基本情況

某工程項目中，銅廠與鉛廠相距615 m。兩廠之間有一管橋連接，管橋有兩層，層高2.2 m，寬3 m。項目需要將兩廠之間的低壓蒸汽與中壓蒸汽管道利用管橋連通互用；另外，管橋上還敷設兩根水管及電纜等。由于蒸汽管道溫度較高，是本項目的設計重點，本文將對兩根蒸汽管道熱補償進行詳細設計，另外兩根水管的配管設計本文不做詳細闡述。

中壓蒸汽管道參數：D273×11 PN4.4MPat=257 ℃ 材料為20號無縫鋼管。

低壓蒸汽管道參數：D325×7 PN0.8MPat=180 ℃ 材料為10號無縫鋼管。

2 確定蒸汽管道補償形式

由于兩廠相距較遠，蒸汽管道在生產運行時會產生很大的熱位移。為了解決管道的熱位移，有兩種方案可供選擇：(1)選用軸向波紋補償器；(2)選用旋轉補償器。究竟選用哪種形式的補償器比較經濟合理？通過表1比較來得出結論(僅對低壓蒸汽管道進行比較)。另外，蒸汽管道沿管橋敷設，支架費用不單獨列表計算。

從經濟投資比較看，低壓蒸汽管道熱補償選用旋轉補償器比選用軸向波紋補償器節約了6.4%的投資。同理，中壓蒸汽管道熱補償也選用旋轉補償器會比選用軸向波紋補償器節約投資。因此，本項目選用旋轉補償器比較經濟合理。

表1 兩種不同補償器形式的投資價格比較表

3 旋轉補償器布置形式

旋轉補償器在管系中是成對或成組布置的，一般由2支或3支組成。其基本的布置形式主要有Π型組合、Ω型組合，另外還有幾種Π型組合的變異組合。由于Ω型組合存在一些缺點：需由3支旋轉補償器、彎頭較多、臂長不可能更長等。因此，選用Π型組合。

3.1 Π型組合工作原理

圖1 Π型組合示意圖

該類補償器組合主要用于受熱管線的直線管線錯位及拐角或者短距離直線管段中，其布置形式詳見圖1。當補償器的布置離兩端固定支架距離相等時，在熱脹推力F構成的力偶作用下，力臂L環繞中心O旋轉θ角，從而吸收兩邊管道的熱膨脹量ΔL。而當補償器布置在離兩端固定支架的距離不相等時，在運行時力臂L的中心O則會偏向較短管線的一端，通過回繞來吸收兩端方向相對、大小不等的膨脹量ΔL1、ΔL2[2]。管道熱伸長的始、末點在同一直線上，但其間的行程是以O點為圓心的弧線。旋轉補償器Π型布置時，伴隨管道的熱伸長，被補償管道將產生橫向移動。在補償量達到l/2ΔL時，橫向移動達到最大值y[3]。

3.2 旋轉補償器在管橋中的設計

本工程中有2根蒸汽管道和2根液體管道，蒸汽管道溫度高、熱位移量大；2根液體管道溫度低、熱位移量小。將2根蒸汽管道布置在管橋的兩邊，然后在需要安裝旋轉補償器的地方利用Π型組合交錯換位，如圖2所示。這樣既解決了管道熱位移又不多占用管橋的寬度。最后，將2根液體管道布置在兩根蒸汽管道之間。

圖2 Π型組合旋轉補償器三維模型圖

4 配管詳細設計

將中壓蒸汽與低壓蒸汽管道全長615 m分為5段，每段分別設置一組Π型組合的旋轉補償器用來吸收蒸汽管道的熱位移。其中，旋轉補償器設置在兩端固定支架的中間。下面，以這5段中的某1段為例進行詳細配管設計。所選管段長126 m。其余4段可參照此段進行設計。

4.1 管道熱位移量計算

管道熱位移量計算公式如下：

ΔL=Lα(t2-t1)

(1)

式中 ΔL—管道熱伸長量，mm；L—計算管長，m；α—管道的線膨脹系數，mm/(m·℃)；t2—管道內介質溫度，℃；t1—管道設計安裝溫度，℃，可取用20 ℃。

4.1.1中壓蒸汽管道熱位移量計算

將中壓蒸汽管道各參數帶入公式(1)，其中L=126 m，t2=257 ℃，查《動力管道設計手冊》表1可得，α=12.45×10-3[mm/(m·℃)]，所以：

ΔL=Lα(t2-t1) =126×12.45×10-3×(257-20) =372 mm

4.1.2低壓蒸汽管道熱位移量計算

將低壓蒸汽管道各參數帶入公式(1)，其中L=126 m，t2=180 ℃，查《動力管道設計手冊》表1可得，α=12.6×10-3[mm/(m·℃)]，所以：

ΔL=Lα(t2-t1) =126×12.6×10-3×(180-20) =254 mm

4.2 預偏裝量

預偏裝量是在旋轉補償器安裝過程中所需的一個數值，具體數值為熱位移量的一半，偏裝方向為管道伸長方向的相反方向。

中壓蒸汽管道與低壓蒸汽管道的熱位移量分別為372 mm和254 mm。由于將旋轉補償器設計在兩固定支架的中間，故預偏裝量為熱位移量的1/4，即中壓蒸汽管道與低壓蒸汽管道的預偏裝量分別為93 mm和64.5 mm，取整數100 mm和70 mm。并與管道熱伸長方向相反，偏裝位置見圖3。

圖3 旋轉補償器偏裝示意圖

4.3 力臂L

管道的熱伸長是依靠力臂L的旋轉來吸收的。對于Π型組合，管道力臂L的旋轉將帶來被補償管道的橫向移動y(見圖1)。設計時，應盡量減小橫向移動對管系安全運行的不利影響。設計時在滿足管道剛度、強度要求的同時，當θ≤60°，力臂L的長度在2～6 m范圍內為宜。

從圖3中旋轉補償器力臂L的三角關系可知，

(2)

式中L1—旋轉補償器中心X向距離，m；L2—旋轉補償器中心Y向距離，m。

4.3.1L1的確定

由于管道布置在管橋里面，且管橋寬3 m，去掉管道與管橋之間的凈空及管道的外徑、保溫厚度等尺寸，取L1=2.1 m。中壓蒸汽管道與低壓蒸汽管道L1相同。

4.3.2L2的確定

低壓蒸汽管道與中壓蒸汽管道通過Π型組合旋轉補償器交錯布置，工程項目在正常生產運行時，兩根管道會推動旋轉補償器進行移動。因此，為了防止兩根管道的旋轉補償器發生碰撞，兩根管道的旋轉補償器之間應留出合適的距離。

低壓蒸汽管道的熱位移量為254 mm，則旋轉補償器兩邊的管道在正常運行時各伸長254/2=127 mm。DN300的蒸汽管道上的旋轉補償器的最大外徑尺寸為477 mm，則管中心至旋轉補償器的最外緣為477/2=238 mm。

為了使兩根蒸汽管道的旋轉補償器在達到最大位移量時不碰撞，預留280 mm的空間，即每根蒸汽管道預留140 mm。

因此可得，低壓蒸汽管道的L2=2×(127+238+140)=1010 mm，取1000 mm。

中壓蒸汽管道的熱位移量為372 mm，則旋轉補償器兩邊的管道在正常運行時各伸長372/2=186 mm。DN250的蒸汽管道上的旋轉補償器的最大外徑尺寸為425 mm，則管中心至旋轉補償器的最外緣為425/2=213 mm。

因此可得，中壓蒸汽管道的L2=2×(186+213+140)=1078 mm，取1080 mm。

4.3.3低壓及中壓蒸汽管道力臂L的確定

由公式(2)可得，

2 m <2.32 m<6 m，2 m <2.36 m<6 m，因此，力臂L取值適宜。

4.4 旋轉角度θ

旋轉角度θ不僅關系到補償器內部密封材料的使用壽命，而且直接影響固定支架的受力。為限制y值過大(見圖1)，設計時須對θ角(與補償量成正比)加以限制。θ的大小直接反映了補償量的大小：θ值越大，補償量越大，同時y向的擺動也越大。選用Π型組合旋轉補償器時，一般θ值應≤60°，并且當管徑較大時，θ值也應相應減小，以減小管道位移對固定支架產生的摩擦力，并保證運行時補償器的安全可靠。

本工程實例中旋轉角度θ計算公式為：

θ=2arcsin(ΔL/L)

(3)

式中 ΔL—管道熱位移量，mm；L—力臂，mm。

由公式(3)可得，低壓蒸汽管道旋轉角度：

θ=2arcsin(ΔL/L)=2arcsin(254/2320)=12.57°<60°，旋轉角度取值合適；

中壓蒸汽管道旋轉角度：

θ=2arcsin(ΔL/L)=2arcsin(372/2360)=18.13°<60°，旋轉角度取值合適。

4.5 H臂

H臂的長度應滿足不同布置形式下，補償器本體、連接管段及彎頭的安裝長度要求。一般補償器產品樣本中會給出H值，也可按照下式計算確定：

H≥本體長度+2R

式中R—彎頭的曲率半徑，通常取值為l倍的公稱直徑或1.5倍的公稱直徑。

旋轉補償器本體長度選取某廠家的產品樣本，其中DN250、DN300的旋轉補償器長度均為360 mm。另外，蒸汽管道布置在管橋里面，管橋層高為2.2 m，則H臂的長度受限制，因此彎頭選取短半徑彎頭，即取1倍的公稱直徑，R=1DN。

中壓蒸汽管道H臂：H=360+2×250=860 mm。

因為低壓蒸汽管道與中壓蒸汽管道的Π型組合旋轉補償器交錯布置(如圖2所示)，大管徑管道的曲率半徑較大，且管橋層高固定，設計時將管徑較大的低壓蒸汽管道的力臂L設置在中壓蒸汽管道的力臂L之上。則低壓蒸汽管道H臂：H=中壓蒸汽管道H臂+中壓蒸汽管道外徑/2+低壓蒸汽管道外徑/2+2×保溫厚度+兩管凈空距離=860+273/2+325/2+2×100+100≈1460 mm。

5 結語

旋轉補償器具有補償量大、設計、安裝方便、投資省、產品安全性能高。Π型組合可以變異為多種形式，使設計者能夠對管系靈活布置、進行多種形式的組合，為工程設計降低了難度。但也存在架空敷設時局部美觀性不足、管橋敷設時空間受限制及占用空間大。設計人員在進行管網設計時，應結合工程實際情況，因地制宜合理選型、巧妙配置，并對旋轉補償器各個參數認真設計，以達到設計出一個經濟、安全、優化的工程。

[1] 《動力管道設計手冊》編寫組.動力管道設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2] 徐志濱.GSJ-V旋轉補償器的選型要點及注意事項[J].管道技術與設備，2006，(3)：42-43.

[3] 朱劍.旋轉補償器在熱力管網設計中的應用[J].煤炭工程，2008，(6)：44.

ApplicationofRotaryCompensatorinPipelineDesigning

WU Tao， HAO Chun-lan
(China ENFI Engineering Corporation, Beijing 100038, China)

Rotary compensator has many advantages such as long distance compensation, designing easily, high security and so on, so it is used more and more by designer. The article takes an actual project as the example, introduces rotary compensator principle of operation and how to determine parameters in pipeline designing.

rotary compensator； combination of “Π” form； beforehand deviation device

2013-10-22

吳 濤(1981-)，男，陜西橫山人，工程師，碩士研究生，主要從事配管工作。

郝春蘭(1982-)，女，內蒙古阿拉善左旗人，工程師，大學本科，主要從事化學水處理站、綜合管網、氧氣站等設計工作。

TQ050

B

1003-8884(2014)04-0030-04