球形补偿器在蒸汽管道改造中的应用

王慈林

（兰州寰球工程公司，甘肃 兰州 730060）

球形补偿器在蒸汽管道改造中的应用

王慈林

（兰州寰球工程公司，甘肃 兰州 730060）

介绍了球形补偿器的工作原理、特点，以及在蒸汽管道改造中的应用情况，利用了球形补偿器的优点很好地完成了蒸汽管道的改造任务。

球形补偿器；蒸汽管道；应用

1　概述

兰州石化公司连续重整装置在用的两根蒸汽管道外管廊部分敷设于2006年，在高管架上相邻敷设，热补偿采用的是铰链型波纹管补偿器，由于之前的设计不合理以及其他一些因素，造成管道有的部分严重变形，管托脱空之处较多，使管架的受力不均，部分管架横梁被蒸汽管道拉弯，管道的保温也有破坏。波纹管补偿器由于变形量太大，曾经有泄漏事故发生，造成极大的安全隐患。因此，对这两根蒸汽管道进行改造很有必要。由于是对现有管道进行改造，现场的安装空间是一定的，如果采用π型补偿，安装空间不够，另外π型补偿器对管架固定点的推力经过计算也很大，远远超过了现有固定点能承受的推力。如果换新的铰链型波纹管补偿器问题也同样存在，且波纹管补偿器不能承受较高的压力，容易损坏。而球形补偿器具有补偿量大、节省安装空间、热损失小、对固定点的推力小等特点，近年来在工程中应用的也较多。因此，本次改造拟采用球形补偿器进行热补偿。

2　球形补偿器的结构原理及特点

2.1球形补偿器的结构

球形补偿器主要由壳体、球体、密封圈、压紧法兰四部分组成（如图1所示），球形补偿器的球体可以任意旋转，很容易应付管道的任意扭转，通过角度变形来适应与它相连的管道热膨胀产生的膨胀量，从而达到补偿的目的。球形补偿器与管道的连接形式有焊接和法兰连接，一般国内采用法兰连接，国外采用焊接方式。

图1　球形补偿器结构示意图

2.2球形补偿器的工作原理

根据球形补偿器的结构特点，必须两个或三个成组使用，它是以球体和壳体的中心线为轴，在圆锥范围内球体可做任意转动θ角，θ称为折屈角。一般来说，国内生产的球补的θ角的范围是：15°～30°。球补的工作原理如图2所示。

图2　球形补偿器工作原理图

图中进行了冷态配置，即在安装时预先向热位移相反的方向偏转了θ/2角，球心距L可以很容易地用三角学的正弦函数求出。

对于补偿器来说，对固定架的推力是一个很重要的指标。而球形补偿器的变形为非刚性变形，因此管系变形后不会产生持续的应力，从而使管道对固定架的推力也不是持续的。弯曲角运动所需的作用力很小，因此球形补偿器对固定架的反作用力也很小，数值上也比同样工况下的π型补偿器的推力小的多。球形补偿器的推力只与它的扭矩“T”有关，如图3所示。

图3　球形补偿器支架受力示意图

根据力学分析：

式中：F——支架推力，M

T——球补扭矩，N.M

L——球心距，M

2.3球形补偿器的特点

球形补偿器具有补偿能力大，占地空间小，流体阻力小，变形应力小，不受方位限制，安装方便，使命寿命长等优点。对于三向位移的蒸汽和热水管道最适宜。工作介质可以由任意一端出入，没有方向限制。但缺点是存在侧向位移、易漏水、漏汽，要求加强维修。目前ATS公司生产的球补带有柱塞填料缸，可以带压填充密封填料。另外若两个固定点间的距离较大，管道的位移量也较大，要根据位移量选择加长型的特制管托，防止管托从管架梁上滑落。

3　球形补偿器在蒸汽管道中的安装及应用

2013年，采用了ATS公司生产的PAK型整体式“P2”系列球形补偿器，对兰州石化公司的两根蒸汽外管进行了改造。蒸汽管道的具体参数见表1。

表1　蒸汽管道参数表

经过Caepipe应力软件计算分析后，选择的球形补偿器的型号分别为16"P2-SPC-400H-70-20-B，12"P2-SPC-400H-70-20-B，θ=15°。16"的扭矩约为2200kg.m，对固定架的推力约为1t，12"的扭矩约为8600kg.m，对固定架的推力约为1.1t，可见应用球形补偿器对固定架的推力很小。这两根蒸汽管道由于相邻布置，走向一致，共安装了16只，共4组球形补偿器。在靠近球形补偿器的直管段上的管托根据位移量的大小选用了加长型的管托，经过两年的运行，这16只补偿器无一发生泄漏，很好地解决了管道的热胀问题。管道敷设示意图如图4所示。

图4　管道敷设示意图

5　结束语

由于本项目是在原有老管架的基础之上改造，因此原有管架不能承受太大的推力，这是本项目的难点。由于ATS公司球补重量轻扭矩小，所以对管道固定支架的推力小。因此通过应用球形补偿器很好的解决了改造中存在的问题。由于该项目中球形补偿器为进口产品，虽然投资比π型补偿器高，但能解决蒸汽管道敷设的难点，因此值得在一些适宜的情况下使用，弥补了其它补偿器的不足。

［1］孙国成.球形补偿器在稠油热采注蒸汽管道上的应用［J］.管道技术与设备，1995（6）：19-21.

［2］ 张俊红，韩飞.球形补偿器在过热蒸汽管道上的应用分析［J］.煤气与热力.1998，18，（1）：61-64.

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