管道的熱位移與波紋管補償器的應用

1. 概述  

鋼鐵、石化、冶金、熱力等行業的動力管道設計時必需考慮管道的熱脹冷縮問題。為使管道在熱狀態下穩定和安全，并減少管道熱脹冷縮時所產生的應力，管道受熱時的熱伸長量應預以補償（吸收）。

一、管道熱補償的方法

1.利用管道自身的彎曲（走向）的特點及彈性變形的能力吸收管道的熱位移，稱之為管道的自然補償能力；

2.采用波紋管補償器吸收位移。

二、管道熱補償的設計原則

1.首先應從管道布置上考慮自然補償；2.應考慮管道的冷緊；

3.在上述兩條件未能滿足管道熱伸長補償要求時，必需采用波紋補償器；

4.在選擇補償器時，應結合管線的具體條件選擇合適的補償器形式。

5.補償器的位置應使管道布置美觀、協調。

  §2.管道熱伸長量的計算

管道熱伸長量按式（G―3）計算：

                 △L=α·L（t2－t1)                  (G―3)

式中   △L         熱伸長量，cm;

       L            計算管長，m;

       α            管道的線膨脹系數，cm/（m·c),見表（B―5);

       t2               管內介質溫度，℃；

       t1              管道安裝溫度，℃

                  常用鋼材的線膨脹系數（×10-4cm/(m·℃))              B―5

  §3.管道的自然補償

在實際管道設計中，管道的走向常常出現L形直角彎、Z字形折角彎以及空間立體彎等典型管段，自然補償就是利用這種管道自身的彎曲（柔性）來補償管道的熱伸長。

當彎管轉角小于150o時，該彎管具有自然補償能力，能用作自然補償；大于150o時，該彎管不具有自然補償能力，不能用作自然補償。

自然補償的管道臂長不應超過20~25米，彎角處的應力不應超過[σ bw]=80Mpa

   一、L形直角彎管段的自然補償

    圖3.為自然補償的L形管段，其短臂長度按式（G―5)計算。

       =1.1×     (m)             (G―4)

式中△L          長臂L的熱伸長量，mm;

      D           管道外徑，mm  

圖3 為自然補償的L形管段

   二、乙形折角彎管段的自然補償

    圖4.為自然補償的Z形管段，其短臂長度按式(G―5)計算。

           = (m)             (G―4)

    式中  △t           計算溫差，℃

      D            管道外徑，mm

      E            管道材料的彈性模量，Mpa;

      K            等于L1／L2

         [σ bw]         管道材料的許用應力，Mpa。

圖4 為自然補償的Z形管段

    三、空間立體管段自然補償能力的驗算

    圖5.為空間立體管段的自然補償，

     其自然補償能力是否滿足要求，可按式（G―6)進行判斷.

          (G―6)

    式中  △L           管道三個方向熱伸長量的向量總和，cm；

          DN           管道外徑，mm；

          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5 空間立體管段的自然補償

式（G―6)有幾個使用條件：1.一根管道，管材直接一致；2.兩端必須是固定點；3.中間無極限位支吊架；4.無分支管。

  §4.波紋補償器在動力管道上的應用

波紋補償器由于其配管簡單，支架工程費用低、能夠承受高溫高壓、壽命長、便于維修管理等優點，在鋼鐵、石化、冶金等行業的動力管道中被廣泛應用。

波紋補償器有三種基本的位移形式，即軸向型、橫向型和角向型。所謂補償器的選型就是結合工程管路的安裝布局、空間環境以及受力條件，將復雜的管系分解為直線型、L型和Z型等典型管段，變復雜管系為簡單管系，并進行熱位移量的計算，然后選用相應型式的波紋補償器，保證管系的安全運行。

用波紋補償器對管段進行分段熱補償時，一個管段內原則上只能設一個直線位移補償器，或設一組角向（角向型、角向加橫向型）補償器。

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