淺談蒸汽管道的熱補償

應仲毅

（浙江天成工程設計有限公司，浙江杭州310023）

化學工程

淺談蒸汽管道的熱補償

應仲毅

（浙江天成工程設計有限公司，浙江杭州310023）

蒸汽管道通常用于輸送飽和或過熱蒸汽，溫度和壓力都較高。高溫管道在運行中會出現伸長現象，若該現象得不到有效補償，將會使管道承受巨大的應力，導致管道變形、破裂。

蒸汽；自然補償；軸向型波紋補償器

在蒸汽管道設計中，管道熱脹冷縮為首要需解決的問題，管道熱補償設計是否合理直接影響蒸汽管道的建設成本和安全。為使管道在熱狀態下穩定和安全，減少管道熱脹冷縮時所產生的應力，設計管道時應采用合理的熱補償。

蒸汽管道的補償主要分為自然補償和補償器補償兩種。設計中應根據現場實際情況做到利用自然補償為主，補償器補償為輔的原則。

1 自然補償

管道自然補償是一種利用管道自身彎曲（柔性）的自然補償形式。當管道轉角小于150°時，能用作自然補償；大于150°時不能用作自然補償。自然補償常用的補償形式為L形直角彎、Z形折角彎和立體補償三種。

1.1 L形直角彎補償計算

式中：

l—L形自然補償短臂長度/m；

ΔL—長臂L的熱伸長量/mm；

Dw—管道外徑/mm。

圖1 L形直角彎計算圖

1.2 Z形折角彎補償計算

式中：

l—Z形自然補償器短臂長度/m；

ΔL—長臂L的熱伸長量/mm；

Dw—管道外徑/mm；

E—管道材料的彈性模量/MPa；

[δbw]—彎曲應力/MPa。

圖2 Z形折角彎計算圖

1.3立體補償計算

立體補償采用驗算的方式來驗證實際中的立體尺寸是否能滿足補償要求。立體管段補償能力是否滿足要求可按如下公式驗算：

式中：

DN—管道公稱直徑/mm；

ΔL—管道三個方向熱伸長量的向量和/cm；

ΔL1、ΔL2、ΔL2—管道各方的向伸長量/cm；

L—管道展開總長度/m；

U—管道兩端固定點之間的直線距離/m。

圖3 立體彎計算圖

本公式的使用條件：

（1）同一根管道，管材管徑一致；

（2）兩端必須是固定點；

（3）中間無限位支吊架；

（4）無分支管。

計算結果小于20.8時說明此管道是安全的。

2 補償器補償

常用的補償器有方形補償器（π形補償、矩形補償）、套管補償器、旋轉式補償器和球形補償器等。在設計中，方形補償器、軸向型波紋補償器和旋轉補償器最為常用。補償器補償相對自然補償具有彈性力大、固定支架間跨距小等特點。

2.1 方形補償器計算

方形補償器是動力管道設計中最常用的補償方式。方形補償器安裝時一般必須預拉伸，預拉伸值：當介質溫度＜250℃以下時，為計算熱伸長量的50%；當介質溫度250℃～400℃時，為計算熱伸長量的70%。

方形補償器常用的類型為：b=2a；b=a；b= 0.5a；b=0。

彈性力計算：

式中：

FK—方形補償器的彈性力/N；

δBW—管道彈性彎曲應力/MPa；

W—管道截面系數/cm3；

H—補償器外伸臂長度/cm。

圖4 方形補償器計算圖

2.2 軸向型波紋補償器計算

選擇軸向型波紋補償器應考慮預拉伸量50%。在任意直管段上兩固定之間只能安裝一套波紋補償器。軸向型波紋補償器一端應布置在靠近固定支架處，另一端應設置直線導向支架。第一導向管架與波紋補償器間距L1為4倍公稱通徑，第一導向架與第二導向架支架的間距L2為14倍公稱通徑，其余中間管架最大間距L3計算如下：

式中：

L3—中間管架最大間距/mm

E—管道材料的彈性模量/MPa

I—管道截面二次距/mm4

p0—設計壓力/MPa

A—波紋補償器有效面積/mm2

KX—波紋補償器剛度/（N/mm）

ΔL—波紋補償器額定軸向位移/mm

選擇波紋管軸向型補償器時，兩固定支架間直管段的彈性力計算如下：

F0=p0Ai

圖5 軸向型波紋補償器計算圖

式中：

F—圖示中固定支架水平推力/N；

FA—波紋補償器的彈性力/N；

F0—波紋管內壓引起的水平推力/N；

q—管道單位長度計算載荷/（N/m）；

μ—摩擦系數；

L—直管段長度/m；

kw—軸向總剛度/（N/mm）；

eX—軸向總補償量/mm；

pX—工作壓力/MPa；

AX—波紋管有效截面積/cm2。

固定管架推力計算時應進行管架兩側受力分析。

3 結束語

本文只簡單闡述單一蒸汽管道的補償計算，實際設計中應根據管道工況、場地實際情況做綜合的受力分析。設置合理的管道支架，保證管道的穩定性，滿足管道熱位移和熱力補償的要求。

[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，1994.

[2]GB/T 20801.1～6-2006，壓力管道規范工業管道[S].

Discussion on Thermal Compensation of Steam Pipeline

YING Zhong-yi
（Zhejiang Stanchion Engineering Design Co.,Ltd.,Hangzhou，Zhejiang 310023，China）

The steam pipe is usually used for conveying saturated or superheated steam,and the temperature and pressure are higher.High temperature pipeline in operation will be an extension of the phenomenon.If the phenomenon is not effectively compensated,the pipe will bear enormous stress,resulting in pipeline deformation and rupture.

steam;natural compensation;axial type corrugated compensator

1006-4184（2016）12-0044-03

2016-06-22

應仲毅（1984-），男，浙江永康人，工程師，主要從事化工工藝設計工作。E-mail：yingzhongyi126@126.com。