對(duì)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在供熱管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探析

劉亞娟

摘 要：供熱管道是保證居民在寒冷季節(jié)正常生產(chǎn)生活的基礎(chǔ)民生設(shè)施，尤其是城市的集中供熱管道已經(jīng)成為當(dāng)前我國(guó)許多大城市最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。文章對(duì)供熱管道設(shè)計(jì)中旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的工作原理和特征進(jìn)行了詳細(xì)的分析和討論，并根據(jù)實(shí)際工程實(shí)例闡述旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在供熱管道設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用和作用，為供熱管道設(shè)計(jì)尤其是城市供熱管道設(shè)計(jì)提供建議和幫助。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器；供熱管道；管道設(shè)計(jì)

引言

由于當(dāng)前百姓對(duì)供熱的需求加大，尤其是冬季對(duì)供熱的需求更是增加，各省市和地區(qū)逐漸在城鎮(zhèn)中普及了集中供熱，甚至有些南方省市也在籌劃冬季集中供熱的方案。補(bǔ)償器是供熱管道中的重要設(shè)備，主要作用是在供熱管道升溫的情況下，防治因熱伸長(zhǎng)或者溫度應(yīng)力而導(dǎo)致的供熱管道出現(xiàn)變形或破壞，在供熱管道上安裝補(bǔ)償器就可以補(bǔ)償管道的熱伸長(zhǎng)，目的是降低管壁的作用及應(yīng)力引起的閥件或支架結(jié)構(gòu)上的作用力，在熱力管網(wǎng)中的應(yīng)用前景廣泛。

1 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的工作原理和基本結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的工作原理是首先安裝成對(duì)的旋轉(zhuǎn)筒補(bǔ)償器，通過(guò)旋轉(zhuǎn)筒和器臂的旋轉(zhuǎn)來(lái)形成一定的力偶，從而產(chǎn)生一對(duì)方向相反但大小相等的力，力臂圍繞筒軸中心旋轉(zhuǎn)，從而吸收力偶兩側(cè)的直管段產(chǎn)生的熱膨脹量，實(shí)現(xiàn)吸收供熱管道熱位移的目的。旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的基本結(jié)構(gòu)包括密封壓蓋、密封座、大小頭、旋轉(zhuǎn)筒、減磨定心軸承和密封材料等部件。在供熱管道中需要設(shè)置成對(duì)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器，這樣可以產(chǎn)生相對(duì)的能夠吸收管道內(nèi)熱位移的力，降低管道應(yīng)力。詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1

2 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的特點(diǎn)

2.1 安全性能好

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器主要是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了雙密封的構(gòu)造，即，端密封和環(huán)密封兩種密封構(gòu)造，使得旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的密封性能非常好，其安全性能較高。

2.2 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便

在供熱管道設(shè)計(jì)過(guò)程中如果采用波紋補(bǔ)償器則要遵守嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和原則，設(shè)計(jì)起來(lái)比較麻煩和費(fèi)時(shí)。但是，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器則由于型式較多則能夠?qū)崿F(xiàn)按供熱管道的實(shí)際情況來(lái)設(shè)置適合的補(bǔ)償器，設(shè)計(jì)起來(lái)非常簡(jiǎn)便。

2.3 使用壽命長(zhǎng)

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的使用壽命可達(dá)二十年以上。

2.4 補(bǔ)償量較大

通常波紋補(bǔ)償器的補(bǔ)償量在300-400mm之間，而旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的最大補(bǔ)償量可以達(dá)到1800mm。實(shí)際應(yīng)用中，若管線>DN200，則可以達(dá)到單邊補(bǔ)償量130-200m；若管線≤DN200，單邊補(bǔ)償量能達(dá)到100-300m。所以，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在長(zhǎng)距離蒸汽輸送管線中的補(bǔ)償作用較好，補(bǔ)償量較大。

2.5 安裝方法與型式多樣

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的最大優(yōu)點(diǎn)是它可以根據(jù)實(shí)際的管網(wǎng)地形和管線走向，選取合適的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器型式，且安裝也比較簡(jiǎn)便，并不需要預(yù)緊和冷拉等工藝，只需要簡(jiǎn)單的對(duì)焊就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)蒸汽管道的補(bǔ)償。

2.6 投資成本低且經(jīng)濟(jì)效益高

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的投資成本低體現(xiàn)在其對(duì)土建投資的降低作用。因其補(bǔ)償距離長(zhǎng)所以使用數(shù)量少，對(duì)土建的固定墩產(chǎn)生的推力較小，所以固定墩的數(shù)量設(shè)置可以少些，并且固定墩的規(guī)格小，綜合來(lái)說(shuō)，土建投資就會(huì)大大減少。使用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的供熱網(wǎng)工程總投資要比其他類(lèi)型的補(bǔ)償器工程投資減少20%-40%左右，投資節(jié)約能力較好。

3 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器型式和布置原則

3.1 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的型式

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的型式有兩種：直線型和錯(cuò)位型。其中，直線型又分為三種主要類(lèi)型：上翻式、高差式和倒掛式，且三種型式都是根據(jù)同一直線為準(zhǔn)則的；錯(cuò)位式旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器則有五種類(lèi)型：直線型上翻錯(cuò)位式、直線型下翻錯(cuò)位式、直角型錯(cuò)位式、直角型高差錯(cuò)位式和直線型高差錯(cuò)位式。這些是實(shí)際供熱管道中常見(jiàn)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器型式。

3.2 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的布置

供熱管道設(shè)計(jì)中對(duì)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的布置有嚴(yán)格的規(guī)范和要求。具體布置形式有Ω型和II型。圖2為II型的布置示意圖。補(bǔ)償點(diǎn)在兩個(gè)固定支架中心處時(shí)，兩側(cè)被補(bǔ)償管道隨管道內(nèi)溫度升高而沿著O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)θ角，吸收熱伸長(zhǎng)。但是，若補(bǔ)償點(diǎn)并不在兩個(gè)固定支架的中心處時(shí)，在供熱管道伸長(zhǎng)的情況下，旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)O會(huì)逐漸偏向比較短的一側(cè)的被補(bǔ)償管道方向。由于供熱管道的熱伸長(zhǎng)將管道的首末兩點(diǎn)都保持在同一直線上，而旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器則是以點(diǎn)O為中心出現(xiàn)弧線的行程。因此，II型旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器隨著供熱管道的熱伸長(zhǎng)，使被補(bǔ)償管道出現(xiàn)橫向移動(dòng)，且橫向移動(dòng)在補(bǔ)償量達(dá)1/2△L時(shí)達(dá)到最大值y。

圖2

4 實(shí)際供熱管道中旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的應(yīng)用

4.1 預(yù)偏轉(zhuǎn)量和旋轉(zhuǎn)角度

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的補(bǔ)償量是非常大的，能夠達(dá)到1800mm，這種高效率的補(bǔ)償能力可以明顯提高旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在管道中的穩(wěn)定度，為達(dá)到這種目的就必須對(duì)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器實(shí)施預(yù)偏裝，且方向要與熱膨脹的方向相反；旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的旋轉(zhuǎn)角度直接關(guān)系到密封材料的壽命和固定支架的推力作用。預(yù)偏裝量X及其旋轉(zhuǎn)角度θ的計(jì)算公式為：X=△/2=S*a*（T2-T1）；θ=2*arcsin（△/L）。公式中的△為熱膨脹量，S為旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器與固定點(diǎn)之間的距離，a是線脹系數(shù)，T1是安裝的溫度，T2是設(shè)計(jì)的溫度，L是旋轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度。根據(jù)此公式計(jì)算出X=159mm、θ=6.27°。

4.2 固定點(diǎn)的推力

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的固定支架的推力是比較小的，非常適合在供熱管道中使用。旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的固定點(diǎn)的推力一共有三個(gè)，即，管道在供熱過(guò)程中受熱脹冷縮原理的影響而出現(xiàn)的受限制的熱脹力（管道自重在熱伸長(zhǎng)時(shí)對(duì)固定點(diǎn)產(chǎn)生的摩擦反力Fm）、旋轉(zhuǎn)過(guò)程中由于內(nèi)部壓力而產(chǎn)生的不平衡力和推力Fb。但是在實(shí)際的計(jì)算和應(yīng)用過(guò)程中可以忽略因內(nèi)部壓力而產(chǎn)生不平衡力，這是由于旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)特征及其布置型式來(lái)決定的。因此，固定支架的推力計(jì)算公式為：F=Fm+Fb，其中，F(xiàn)m=μ*G，F(xiàn)b=M/[Lcos（θ/2）]，此公式中μ是摩擦系數(shù)，且鋼之間的滑動(dòng)支架取0.3、聚四氟乙烯板和鋼間的滑動(dòng)支架取0.2、滾動(dòng)支架取0.1；G是旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器所在位置的管道與固定支架間的總重量；M是旋轉(zhuǎn)筒在摩擦?xí)r產(chǎn)生的摩擦力矩，這是以廠家提供的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)；L是旋轉(zhuǎn)力臂，θ是選擇角度；此時(shí)，該供熱管道對(duì)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的要求是2337380N·cm；旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器T1面的總推力F為13927N和33709N。因此，最終的計(jì)算結(jié)果顯示旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器應(yīng)用過(guò)程中其固定支架所產(chǎn)生的推力是很小的，幾乎不會(huì)造成什么影響。主要推力是由管道在滑動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的摩擦反力導(dǎo)致的。

5 結(jié)束語(yǔ)

在集中供熱需求越來(lái)越大的當(dāng)前，供熱管道的設(shè)計(jì)普遍開(kāi)始采用補(bǔ)償器來(lái)防治因熱伸長(zhǎng)或者溫度應(yīng)力而導(dǎo)致的供熱管道出現(xiàn)變形或破壞。旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器可以根據(jù)供熱管道的實(shí)際情況來(lái)選取合適的型式，相比其他類(lèi)型的補(bǔ)償器更加靈活方便。旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器相比自然補(bǔ)償有減少?gòu)濐^、壽命長(zhǎng)、補(bǔ)償量大和安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。而且由旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器產(chǎn)生的推力也比較小，對(duì)管道壓力損失小，應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

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