為了防止管道熱膨脹產(chǎn)生的破壞作用，在管道設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)對高溫管道進(jìn)行熱補償設(shè)計。管道的熱補償方法有兩種：一種是利用管道自身的柔性吸收其位移變形的自然補償法；另一種是利用在管道中設(shè)置適當(dāng)形式的補償器對管道進(jìn)行補償?shù)姆椒ā?/span>

  管道在現(xiàn)場的走向是根據(jù)工藝設(shè)備的布置情況決定的。利用改變管道走向、調(diào)整支撐點的位置或改變支吊架的形式，增加管道自身的柔性，以補償其熱膨脹和端點附加位移的辦法稱為管道自然補償。例如在管道中布置適當(dāng)?shù)腖形、Z形或I形管段，即可有效地增加管道的柔性。這種補償辦法結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、投資少，所以被廣泛采用。

1. 金屬波紋管膨脹節(jié)

  隨著大直徑高溫管道的增多和金屬波紋管膨脹節(jié)制造技術(shù)的提高，近年來金屬波紋管膨脹節(jié)在壓力管道中得到了廣泛應(yīng)用。此種補償器制造技術(shù)較為復(fù)雜，價格高。一般采用0.5~3mm薄不銹鋼板制造，耐壓低，補償能力大，適用于低壓大直徑高溫管道。但應(yīng)當(dāng)指出，在強度上它是管道中的薄弱環(huán)節(jié)，與自然補償比較可靠性差，應(yīng)正確選用與安裝。目前此種補償器尚無國家標(biāo)準(zhǔn)，各企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的波紋管參數(shù)尚不統(tǒng)一，但其制造技術(shù)條件已有國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12777《金屬波紋管膨脹節(jié)制造技術(shù)條件》。

  根據(jù)金屬波紋管膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)和功能，其基本形式可分十大類。如表3-16所示。

  壓力管道常用的金屬波紋管膨脹節(jié)主要有單式軸向型、復(fù)式拉桿型、單式鉸鏈型及彎管壓力平衡型等幾種。

  ①. 單式軸向型膨脹節(jié)

   單式軸向型膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)簡單、價格低，主要用于吸收軸向位移，在一定條件下可吸收少量角位移和軸向位移。用于吸收軸向位移的單式軸向型膨脹節(jié)的典型布置如圖 3-15 所示。

   單式軸向型膨脹節(jié)屬于無約束型波紋膨脹節(jié)，不能承受波紋管壓力推力。選用時應(yīng)注意下列問題。

    a. 兩固定支座之間的管道上只能布置一個該型膨脹節(jié)。

    b. 固定支座必須有足夠的強度，以承受波紋管壓力推力。

    c. 對管道必須進(jìn)行嚴(yán)格保護(hù)，尤其是靠近波紋管膨脹節(jié)的部位應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向架，第一個導(dǎo)向支架與膨脹節(jié)的距離應(yīng)小于4DN,第二個導(dǎo)向支架與第一個導(dǎo)向支架的距離應(yīng)不大于14DN,以防止管道有彎曲或徑向偏移造成膨脹節(jié)破壞。

  ②. 復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)

   復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)的安裝示意圖如圖3-16所示。管道呈Z形，補償器可吸收拉桿之間管道的軸向膨脹量，拉桿承受內(nèi)壓推力，兩側(cè)管道的膨脹使補償器產(chǎn)生橫向位移，兩個膨脹節(jié)均產(chǎn)生角位移。

  ③. 單式鉸鏈型膨脹節(jié) 

    一般將兩個或三個單式鉸鏈型膨脹節(jié)布置在一個平面內(nèi)，如圖3-17所示。工作時利用每個膨脹節(jié)產(chǎn)生的角位移來吸收管道的熱膨脹。這種布置方法可吸收較大的膨脹量。

  ④. 彎管壓力平衡型膨脹節(jié)

    能平衡膨脹節(jié)的壓力推力，可避免壓力推力作用在與其連接的機器管嘴上，所以在與汽輪機、離心壓縮機等敏感設(shè)備連接的管道上應(yīng)用較多。安裝示意圖如圖3-18所示。

 2. 球形補償器

  ①. 結(jié)構(gòu)及工作原理

   球形補償器的結(jié)構(gòu)如圖3-19所示，其工作原理如圖3-20(a)所示，球體可以繞本身軸線旋轉(zhuǎn)［見圖3-20(b)],還可以向任意方向做折曲運動［見圖3-20(c)].利用球形補償器的這些特點，可將其角度位移轉(zhuǎn)變?yōu)楣艿赖闹本€位移來吸收管道的熱膨脹量，在轉(zhuǎn)變過程中，為保證管道的直線性，球形補償器本身的角度也需要給予補償，因此，必須要兩個或三個組成一組來使用，單個球形補償器是不能吸收直線位移的［見圖3-20(d)]。

  球形補償器的三個重要參數(shù)指標(biāo)是：球心距R、折曲角0和位移量Δ.θ的大小由制造廠提供，與結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，國內(nèi)產(chǎn)品一般為30°,國外產(chǎn)品有30°、15°等多種形式，其余兩項R和Δ由設(shè)計確定。

  ②. 使用場合

    a. 適用范圍  公稱壓力PN≤1.6MPa;設(shè)計溫度T≤350℃;公稱尺寸DN50~600mm.

    b. 適用于輸送非易燃和無毒的熱介質(zhì)管道，如蒸汽、熱水、凝結(jié)水、熱油、熱空氣等管道。有腐蝕性熱介質(zhì)的管道不宜使用。

    c. 球形補償器的補償量大，最適合在廠際之間或區(qū)域性的較長距離的熱管道上使用。由于采用球形補償器比U形膨脹彎管少用很多彎頭，故也適用于對壓力降有要求的熱管道。另外，還可以使用在對接管載荷有限制的設(shè)備進(jìn)出口管道上。

   d. 球形補償器可吸收布置在建筑物或儲罐之間的管道因基礎(chǔ)下沉而引起的相對位移。

   e. 球形補償器可以緩解或消除管道系統(tǒng)因地震而產(chǎn)生的超載應(yīng)力。

  ③. 布置方式和補償量計算

   a. 直線管道固定支架間   距如表3-17所示。

   b. 水平Z形布置  有單向式、雙向式和三球式三種布置方式。

    · 單向式  

     單向式包括單向A式和單向B式2種，如圖3-21所示。

     單向A式的主要特征是球形補償器設(shè)在兩個固定支架之間，離其中一個固定支架（A點）很近，離另一個固定支架（B點）較遠(yuǎn)，這種布置只吸收一個方向的位移。一般受到地形位置限制時用此布置方式。

     單向B式的特征與單向A式相同，用在無位置限制的條件下，與單向A式不同之處是熱脹終止位置不同，以及固定支架1與②承受推力大小不同，如固定支架②與支架1相比，需要考慮管道載荷的摩擦力，而固定支架1與支架②相比，需要考慮球形補償器動作時的側(cè)向力。

  單向式的位移量Δ、折曲角0、球心距R間關(guān)系為： 單向A式 Δ=Rsin (0/2) （3-1) 、 單向B式Δ=2Rsin(0/2) （3-2)

  · 雙向式 

    球形補償器設(shè)在兩固定支架中間，而且離兩支架距離都較遠(yuǎn)時，能吸收兩個方向的位移（見圖3-22),位移量Δ=Δ1+Δ2.布置時盡量使兩邊管段（A段、B段）相等，其Δ、R、0的關(guān)系式為： Δ1+Δ2=2Rsin(0/2)（3-3)

 · 三球式 

  當(dāng)整條管道不能吸收橫向位移時，應(yīng)采用此種形式，用第三個球吸收管道的橫向位移（見圖3-23).位移Δ、球心距R、折曲角0的關(guān)系式為Δ=2Rsin(0/2)（3-4)

    圖3-23中R1、β和橫向位移Δ:的關(guān)系式為 Δ=Risinβ（3-5)式中，β不能大于球形補償器全折曲角8的一半。

  c. 水平L形布置

   水平L形布置可吸收兩段相互垂直管道的位移（見圖3-24)。

   確定兩球中心間距R1、R2時，先用直線段L1、L2按式（3-6)計算位移量Δ1、Δ2,兩者中的較大值Δ,并按式（3-1)計算出中心距，而后將求出的數(shù)值乘以1.5,作為＝R2的數(shù)值，然后用R1、R2按式（3-7)及實際的Δ1及Δ2重新求出01和02.檢查01＋02=0:是否超過制造廠規(guī)定的折曲角（03<30°),如果超過則需加長球心距，然后重計算。

    Δ=αtL(t1-to)（3-6)

     中Δ 熱膨脹量，mm;

    L-管道直線長度，mm;

    r1-管道工作溫度，℃;

    t0-管道安裝溫度，℃;

    Q:-管材在工作溫度下的線脹系數(shù)，1/℃.

  必須注意，實際R1、R2值要比計算值大，以保證留有余量。

 d. 垂直面布置

  · 垂直Z形布置的原理及計算式與水平Z形布置相同（見圖3-25).

  · 兩組球形補償器組合垂直布置 利用球形補償器的工作原理，在實際應(yīng)用中，將訴組布置在一起，既方便支架的布置，又整齊美觀。但要注意，兩組中間一定要用固定支架（見圖3-26).

 e. 球形補償器附近的彎頭至第一個導(dǎo)向支架的距離

   例如圖3-21(a)及圖3-25中彎頭E點至導(dǎo)向支架G點的距離，應(yīng)滿足柔性的要求。球形補償器前后兩個彎頭之間的管長的熱膨脹量設(shè)為Δ,可作為EG段柔性計算依據(jù)，但由于球形補償器在位移過程中，其軌跡是弧線，所以在球形補償器附近將產(chǎn)生偏移量y,當(dāng)球形補償器從中心線向一個方向擺動時,對于垂直Z形布置的管道（見圖3-25),如有特殊要求，必須在彎頭E點附近設(shè)置支架時，應(yīng)采用彈簧支架。

  f. 在分支管上布置球形補償器

  當(dāng)主管與分支管在同一平面時，可按圖3-27所示方式布置。當(dāng)主管有較大位移時，可按圖3-27(a)布置。帶球形補償器的分支管的x長度應(yīng)滿足前面第e點所述位移ΔR的要求。當(dāng)不能布置成吸收段“x”時，可采用三球布置方式，見圖3-27(b),其計算方法與L形布置計算相同。

 ④. 反作用力計算 

  球形補償器轉(zhuǎn)動力矩M引起的反作用力F1可按下式計算

    F1=2M/R1（3-12)

   式中 F1-轉(zhuǎn)動力矩而引起的反作用力，N;

   M-球形補償器轉(zhuǎn)動力矩（由制造廠提供），N·m;

   R1-球心距在作用面上的投影長度，m,R1=Rcos(0/2)(當(dāng)0小于30°時，可取R1~R).

 3. 套筒式補償器（填料函式管道伸縮節(jié)）

  ①. 主要結(jié)構(gòu)類型

   a. 重載套筒式補償器

   其內(nèi)部沒有內(nèi)壓平衡結(jié)構(gòu)，端部固定點需承受彎管或閥門、盲板的內(nèi)壓推力（見圖3-28).

   b. 減載套筒式補償器

   其內(nèi)部有內(nèi)壓平衡結(jié)構(gòu)，端部的彎管或閥門、盲板的內(nèi)壓推力與補償器內(nèi)部構(gòu)件的軸向承壓面所受的內(nèi)壓推力平衡，所以固定支架可以不考慮內(nèi)壓推力的作用，但目前尚無定型產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)，選用時要慎重。

  ②. 使用場合

   a. 適用范圍。公稱壓力：PN≤2.5MPa;工作溫度≤200℃;公稱尺寸：DN50~600mm;輸送介質(zhì)：蒸汽、水。

   b. 這種補償器有易泄漏和軸向推力較大的缺點，一般很少選用，尤其在裝置內(nèi)或寒冷地區(qū)更不能選用這種補償器。在裝置外、廠區(qū)內(nèi)或廠際之間的熱管道上，在布置U形膨脹彎管受空間位置限制時可以選用，但盡量少用。

  ③. 布置方式 

  套筒式補償器只能用于直線熱管道上吸收熱伸長，不能用于彎管和空間管系。

  套筒式補償器兩邊直管端點（根據(jù)補償器的補償能力計算固定點的位置），必須設(shè)置固定架。導(dǎo)向支架布置要求和波紋管膨脹節(jié)的布置要求相同。