浅析热力管网设计中旋转式补偿器

张杰 王艺玮

【摘要】现阶段在热力管网建设中，管网设计是施工前的一个重要前提，只有抓好设计，才能建设好一个合理的热力管网系统。管网设计中对于采用合适的补偿器是一个关键部分，也是不可或缺的部分。旋转补偿器可减少补偿器设置数量，降低土建工程量、节省工程投资，并在一定程度上降低复杂地形管网的设计难度。相对于其它形式的补偿器，旋转补偿器可以减少管系补偿点、固定支架的设置数量，降低土建工程量、节省工程投资，而且在一定程度上降低了复杂地形热力管网的设计难度。

【关键词】热力管网；固定支架；导向支架

1旋转补偿器

1.1旋转补偿器的补偿原理与基本布置

旋转补偿器通过本体部件的相对旋转，带动相应管段（即L力臂）产生转动，达到吸收被补偿管段热伸长的目的。旋转补偿器在管系中是成对或成组布置的，其基本的布置形式主要有 型、Ω型。管道产生转角并且两端管道平行时，一般采用 型布置，其布置形式详见图1。

图1 型旋转补偿器布置

当补偿点布置于相邻两固定支架中心位置时，其两侧的被补偿管道随着输送介质温度的升高，将沿O点（L力臂的中心）旋转θ角，以吸收管道的热伸长，最终到达平衡状态。当补偿点未设置于两固定支架中心位置时，管道伸长时旋转中心O点则偏向于较短侧被补偿管道。管道热伸长的始、末点在同一直线上，但其间的行程是以O点为圆心的弧线。旋转补偿器 型布置时，伴随管道的热伸长，被补偿管道将产生横向移动。在补偿量达到1/2ΔL时，横向移动达到最大值y。

型布置是旋转补偿器应用最广泛的形式。当设置的Z轴与补偿点中任一H臂重合时，可以布置于各种有自然转角的管系中，并能满足转角两侧管道标高的不同要求。设计时，与Z轴重合的H臂外侧应设置固定支架。

通过旋转补偿器的基本布置可以看出，旋转补偿器和L力臂形成力偶，管道热伸长时产生大小相等，方向相反的一对变形力，使L力臂绕相应的中心轴旋转，以达到吸收两侧被补偿管道产生热伸长的目的。根据旋转补偿器的补偿原理及基本布置方式，在热力管网设计中，还可以进行其他的组合布置，以满足管系的热补偿要求。由于旋转补偿器布置距离较长，活动支架设计时宜采用滚动式支架。这样既能减小各支架的推力，降低土建工程量，又可使长距离管道在位移过程中减少阻滞、停顿现象，提高管网运行的安全稳定性。设计时，还应结合管系的长度、坡向，合理解决补偿点管段的疏放水、排气等问题。特别注意补偿点处的疏放水、排气装置，在管道位移时应保证安全工作。

1.2旋转补偿器的特點

旋转补偿器具有大补偿量、布置灵活、组合形式多等优点。适用于各种敷设方式，可以方便的布置在不同敷设方式的结合部位，特别适合长距离、复杂地形、大管径热力管网的热补偿。补偿器本体直通式设计，自身不产生压力降；密封性能好，不易泄漏；安全性能高，不受水击影响。相对于其它形式的补偿器，管系固定支架不承受输送介质产生的盲板力，受力小、土建工程量小，便于施工。因旋转补偿器布置点较少、固定支架及补偿器的数量大大减少，可降低管网总投资，减小运行维护的工作量。旋转补偿器在具有以上优点的同时，也存在补偿点占用空间较大的缺点。

2旋转补偿器设计选型要点

设计选用旋转补偿器时，根据管线的走向、敷设方式等技术条件确定补偿器设置位置、布置形式，然后确定H值、L值及旋转角度θ，以满足管系设计的要求。旋转角度不仅关系到补偿器内部密封材料的使用寿命，而且直接影响固定支架的受力。一般θ值应≦60°，并且当管径较大时，θ值也应相应减小，以减小管道位移对固定支架产生的摩擦力，并保证运行时补偿器的安全可靠。管道的热伸长是依靠L力臂的旋转来吸收的。对于 型组合，管道L力臂的旋转将带来被补偿管道的横向移动y（见图1）。设计时，应尽量减小横向移动对管系安全运行的不利影响。设计时在满足管道刚度、强度要求的同时，当H值≦60°，L力臂的长度在2-6m范围内为宜。对于Ω型组合，应根据管道间距B值及旋转角度θ，计算L值。H臂的长度应满足不同布置形势下，补偿器本体、连接管段及弯头的安装长度要求。一般补偿器产品样本中会给出H值，也可按照下式计算确定：

型组合 H≧本体长度+2R；Ω型组合 H≧2×（本体长度+2R）。式中 R-弯头的曲率半径，取值为1Dn或1.5Dn。

3导向支架的设置

热力管网设计中，应采用导向支架对管线的移动进行限制，以消除管道热伸长时产生纵向弯曲、径向位移等情况对管道的不利影响。旋转补偿器由于补偿量大，两固定支架间距长，补偿器动作时管道产生横向位移，运行时易产生失稳情况，因此在布置补偿器时应设置导向支架。导向支架的位置及间距，要根据补偿器的布置形式确定。对于 型组合，导向支架在设置时，既要防止长距离管道移动时产生失稳，又不能影响补偿端管道的横向移动，因此第一导向支架应根据补偿量及管径大小布置在距补偿器20-40m处，使这部分管道在动作时保持必要的柔性。对于Ω型组合，第一导向支架布置在距补偿器5-25m的位置处。长距离补偿时，导向支架间距为50-70m为宜。

4固定支架

采用旋转补偿器的管系，具有固定支架推力小的优点。热力管网设计中，固定支架推力计算包括以下三部分：管道热胀冷缩受约束产生的作用力，即管道热伸长时固定支架的摩擦反力；内压产生的不平衡力；活动端位移产生的作用力，包括补偿器产生的弹性力或摩擦力。固定支架的摩擦反力按下式计算：

式中F-固定支架滑（滚）动摩擦反力， N；μ-管道活动支座与支架之间的摩擦系数；q-每米管道重量， N/m；L-管道补偿器端至固定端的距离， m。

旋转补偿器的结构特点和布置形式，决定了计算固定支架推力时，不考虑内压产生的不平衡力。旋转补偿器力臂转动时，须克服补偿器转动时产生的摩擦力矩M。摩擦力矩M由补偿器密封填料箱内的摩擦力矩M1、抗盲板力的摩擦力矩M2及介质温升使密封填料膨胀产生的附加力矩组成。在计算时，附加力矩可不予考虑。摩擦力矩M由补偿器生产厂家提供数据。活动端位移产生的作用力，通过下式计算：

型组合：P =M/（Lcos（θ/2）） Ω型组合：P =0.67M/（Lcos（θ/2））

通过以上分析，管系采用旋转补偿器时，其固定支架推力只需计算摩擦反力及补偿器转动时产生的摩擦力。在相同设计条件下，其固定支架推力水平基本相当于其他轴向型补偿器的中间固定支架。

5结语

现阶段，鉴于国内城市化发展的突飞猛进，集中供热成了城市中的一个不可或缺的组成部分，补偿器作为热力管网中的重要管道特殊件，在热力管网中的应用越来越广泛。设计人员在热力管网设计应用时，应结合工程具体情况，因地制宜合理选型，以达到工程设计安全、经济、合理的目的。