浅谈蒸汽管道的热补偿

应仲毅

（浙江天成工程设计有限公司，浙江杭州310023）

化学工程

浅谈蒸汽管道的热补偿

应仲毅

（浙江天成工程设计有限公司，浙江杭州310023）

蒸汽管道通常用于输送饱和或过热蒸汽，温度和压力都较高。高温管道在运行中会出现伸长现象，若该现象得不到有效补偿，将会使管道承受巨大的应力，导致管道变形、破裂。

蒸汽；自然补偿；轴向型波纹补偿器

在蒸汽管道设计中，管道热胀冷缩为首要需解决的问题，管道热补偿设计是否合理直接影响蒸汽管道的建设成本和安全。为使管道在热状态下稳定和安全，减少管道热胀冷缩时所产生的应力，设计管道时应采用合理的热补偿。

蒸汽管道的补偿主要分为自然补偿和补偿器补偿两种。设计中应根据现场实际情况做到利用自然补偿为主，补偿器补偿为辅的原则。

1 自然补偿

管道自然补偿是一种利用管道自身弯曲（柔性）的自然补偿形式。当管道转角小于150°时，能用作自然补偿；大于150°时不能用作自然补偿。自然补偿常用的补偿形式为L形直角弯、Z形折角弯和立体补偿三种。

1.1 L形直角弯补偿计算

式中：

l—L形自然补偿短臂长度/m；

ΔL—长臂L的热伸长量/mm；

Dw—管道外径/mm。

图1 L形直角弯计算图

1.2 Z形折角弯补偿计算

式中：

l—Z形自然补偿器短臂长度/m；

ΔL—长臂L的热伸长量/mm；

Dw—管道外径/mm；

E—管道材料的弹性模量/MPa；

[δbw]—弯曲应力/MPa。

图2 Z形折角弯计算图

1.3立体补偿计算

立体补偿采用验算的方式来验证实际中的立体尺寸是否能满足补偿要求。立体管段补偿能力是否满足要求可按如下公式验算：

式中：

DN—管道公称直径/mm；

ΔL—管道三个方向热伸长量的向量和/cm；

ΔL1、ΔL2、ΔL2—管道各方的向伸长量/cm；

L—管道展开总长度/m；

U—管道两端固定点之间的直线距离/m。

图3 立体弯计算图

本公式的使用条件：

（1）同一根管道，管材管径一致；

（2）两端必须是固定点；

（3）中间无限位支吊架；

（4）无分支管。

计算结果小于20.8时说明此管道是安全的。

2 补偿器补偿

常用的补偿器有方形补偿器（π形补偿、矩形补偿）、套管补偿器、旋转式补偿器和球形补偿器等。在设计中，方形补偿器、轴向型波纹补偿器和旋转补偿器最为常用。补偿器补偿相对自然补偿具有弹性力大、固定支架间跨距小等特点。

2.1 方形补偿器计算

方形补偿器是动力管道设计中最常用的补偿方式。方形补偿器安装时一般必须预拉伸，预拉伸值：当介质温度＜250℃以下时，为计算热伸长量的50%；当介质温度250℃～400℃时，为计算热伸长量的70%。

方形补偿器常用的类型为：b=2a；b=a；b= 0.5a；b=0。

弹性力计算：

式中：

FK—方形补偿器的弹性力/N；

δBW—管道弹性弯曲应力/MPa；

W—管道截面系数/cm3；

H—补偿器外伸臂长度/cm。

图4 方形补偿器计算图

2.2 轴向型波纹补偿器计算

选择轴向型波纹补偿器应考虑预拉伸量50%。在任意直管段上两固定之间只能安装一套波纹补偿器。轴向型波纹补偿器一端应布置在靠近固定支架处，另一端应设置直线导向支架。第一导向管架与波纹补偿器间距L1为4倍公称通径，第一导向架与第二导向架支架的间距L2为14倍公称通径，其余中间管架最大间距L3计算如下：

式中：

L3—中间管架最大间距/mm

E—管道材料的弹性模量/MPa

I—管道截面二次距/mm4

p0—设计压力/MPa

A—波纹补偿器有效面积/mm2

KX—波纹补偿器刚度/（N/mm）

ΔL—波纹补偿器额定轴向位移/mm

选择波纹管轴向型补偿器时，两固定支架间直管段的弹性力计算如下：

F0=p0Ai

图5 轴向型波纹补偿器计算图

式中：

F—图示中固定支架水平推力/N；

FA—波纹补偿器的弹性力/N；

F0—波纹管内压引起的水平推力/N；

q—管道单位长度计算载荷/（N/m）；

μ—摩擦系数；

L—直管段长度/m；

kw—轴向总刚度/（N/mm）；

eX—轴向总补偿量/mm；

pX—工作压力/MPa；

AX—波纹管有效截面积/cm2。

固定管架推力计算时应进行管架两侧受力分析。

3 结束语

本文只简单阐述单一蒸汽管道的补偿计算，实际设计中应根据管道工况、场地实际情况做综合的受力分析。设置合理的管道支架，保证管道的稳定性，满足管道热位移和热力补偿的要求。

[1]动力管道设计手册编写组.动力管道设计手册[M].北京：机械工业出版社，1994.

[2]GB/T 20801.1～6-2006，压力管道规范工业管道[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

应仲毅（1984-），男，浙江永康人，工程师，主要从事化工工艺设计工作。E-mail：yingzhongyi126@126.com。