旋转式补偿器在蒸汽管道热补偿中的应用

谢利杰

（镇海石化工程股份有限公司，浙江 宁波 315042）

1 旋转式补偿器简介及优点

常见的蒸汽管道热膨胀补偿方式主要有旋转式补偿器、波纹补偿器、自然补偿和π 型补偿，其中，旋转式补偿器作为一种新型补偿器，具有推力小、安装布置方便和吸收热膨胀量的优点。旋转式补偿器需两个以上成对布置，2 个补偿器相对旋转吸收蒸汽管道热膨胀，其动作原理如图1 所示。旋转式补偿器的结构如图2 所示，主要由旋转筒体、密封座、大小头、减磨定心轴承和密封压盖等组成。

图1 动作原理

图2 结构型式

蒸汽管道敷设时，根据管道的走向确定布置形式，一般按100 m～200 m 安装一组旋转式补偿器。补偿器有十多种安装形式，其中,图1 是最典型的布置方式。选用旋转式补偿器之后，两个相邻的固定支架之间的距离比较大，为防止管道挠曲问题，补偿器两端需要安装导向支架；另外，在滑动支架上应增设聚四氟乙烯摩擦副或活动支座，以减少管道对固定支架产生的水平推力。

旋转式补偿器的优点有：

1）吸收热膨胀量大，一般按100 m～200 m 安装一组旋转式补偿器；

2）推力小，不产生盲板力（由介质压力引起），适合大口径管道使用；

3）管道布置简单，减少管道输送过程中的热损失，节约投资；

4）密封性能优越，长期运行不需要维护。

2 旋转式补偿器的选型

旋转式补偿器一般分为4 个等级：

第一等级是低压管道：温度范围40 ℃～300 ℃、压力范围0 MPa～1.6 MPa；

第二等级是中、低压管道：温度范围40 ℃～425 ℃、压力范围1.6 MPa～4.0 MPa；

第三等级是高压管道：温度范围40 ℃～500 ℃、压力范围4.0 MPa～6.4 MPa；

第四等级是超高压管道：温度范围40 ℃～545 ℃、压力范围6.4 MPa～12.5 MPa。

当使用温度超过400 ℃时，本体材料采用合金钢：06Cr19Ni10、15CrMoG、12Cr1MoVG、P11、P91 等材料。

3 旋转式补偿器补偿原理

大小相等、方向相反的一对力，通过由旋转筒和力臂形成的力偶，由力臂绕z 轴中心旋转，吸收在蒸汽管道2 个固定点间的热膨胀量，这就是旋转式补偿器的补偿原理。

3.1 Π 形组合旋转式补偿器

两个固定架之间布置旋转式补偿器，蒸汽管道工作时，两端有相同的热膨胀推力和热膨胀量，使力偶围绕中心O 旋转θ 角，以实现吸收两端大小相等、方向相反的热膨胀量△L。如下页图3、图4 所示。

图3 Π 形组合补偿器立体图

图4 Π 形组合补偿器平面图

在两固定架中心布置旋转式补偿器，偏蒸汽管道较短一端，运行时，力偶臂的中心O 偏向较短的一端环绕，吸收大小不等、方向相反的膨胀量，记作△L1、△L2。

旋转式补偿器布置类似于球形补偿器，在吸收热膨胀量的过程中，当力偶旋转到0.5θ 位置时，热管道产生最大的摆动值，记作y。所以，离补偿器最近的导向支架布置距离要加大，如表1。

表1 导向支架离补偿器的最小距离

补偿器L 值的大小一般应根据现场安装条件、补偿量的大小和自然地形来确定，较大的L 值可以加大补偿器的补偿能力，因此在条件许可时L 值尽量选择大一点。

补偿器的补偿能力随力偶臂L 或转角θ 的增大而增加，在增加的同时会导致摆动值y 加大，y 不宜过大，因此转角θ 一般不超过一定的值，如表2，L 值一般在3 m～6 m 内为宜。

3.2 选型要点

1）Π 形组合补偿器高H=旋转筒长+2×1.5DN，见表3。

表3 H 尺寸

2）当进行长距离补偿时，可按表4 设置导向支架。

表4 导向支架的距离

3）因Π 形组合补偿器会出现横摆问题，所以特定距离内补偿器两侧不设置导向支架，参见表1。

4）密封材料使用寿命直接受θ 角大小的影响，所以，管道直径大时，θ 角要小。θ 角的极限值见表2，计算出的θ 角不应超过此极限值。转角θ 越小，则摩擦力越小。

表2 转角θ 的极限值

5）Π 形组合补偿器的补偿能力计算

当Π 形组合补偿器布置在两固定支架中央时，任一端补偿量△L 的计算如公式（1）：

因两固定支架两端补偿量相等，所以总补偿量为2△L。

当安装的Π 形组合补偿器偏向于某一固定支架，且短臂与长臂长度比1∶2 时，长短臂蒸汽管道要求△L2=（L2/L1）△L1长臂蒸汽管道的热膨胀量按式（1）计算。短臂蒸汽管道的热膨胀量△L2为0.5△L1。

3.3 旋转力偶的摩擦力矩及其推力

1）力偶的移动受制于一对旋转筒的摩擦力矩，因此推动力偶移动必须克服旋转筒的摩擦力矩。

一对旋转筒的总摩擦力矩记作M，密封填料内的摩擦力矩记作M1，抗盲板力的摩擦力矩记作M2，力矩单位均为N·cm，M、M1、M2之间的关系如公式（2）：

表5 为一对旋转筒的旋转摩擦力矩M。

表5 一对旋转筒的旋转摩擦力矩M

2）Π 形组合旋转式补偿器的力偶臂和一对方向相反、大小相等的力相互垂直。热膨胀时，力偶旋转的作用力F 如公式（3）：

式中：F 为旋转力，N；M 为一对旋转筒总摩擦力矩，N·cm；L 为力偶臂长，cm；θ 为旋转角，（°）。

4 旋转式补偿器的应用实例

本节以某一城镇供热管网的敷设为例，介绍无推力旋转式补偿器的具体应用。

某一城镇供热管网中蒸汽管道沿河堤敷设，蒸汽主管管径为DN400，长度约2 000 m，操作温度为300 ℃，操作压力为1.4 MPa，设计温度为350 ℃，设计压力为1.6 MPa，管道热补偿采用无推力旋转式补偿器的方式。每米管道的运行质量为230 kg/m，管道管托采用滚动支座，其中最大跨距的一段管道S=117 m，旋转补偿器力偶臂取2.5 m，计算旋转式补偿器的设置能否满足要求及对固定点的水平推力。

按设计温度350 ℃计算，钢材的单位线膨胀系数为0.436 9 cm/m。

根据表2，DN400 管道转角θ 的极限值为30°，选取L=2.5 m，经计算一端的补偿量为：

则θ=11.8°＜30°

可知L=2.5 m，可以满足要求。

根据表3 取M=3 026 230 N·cm，旋转补偿器对固定点的水平推力：

考虑管托采用聚四氟乙烯摩擦副，支座对固定点的水平推力为：

固定点的总推力为：

5 结语

无推力旋转式补偿器具有补偿能力大、占地空间小、稳定可靠等优点，特别适合复杂地形条件下的热力管网敷设和厂区内空间有限的热力管道敷设。本工程具有一定的开创性，对于类似工程的设计有一定的借鉴作用。