谈免维护旋转补偿器在供热管网中的应用

王荣刚

(山西新唐工程设计有限公司，山西太原 030006)

1 简述

近年来，随着国家城镇化的迅猛发展，各地方公共基础建设也在飞速发展，全国各地，尤其是“三北”地区，城市集中供热需求也在呈现高增长的态势。因此，供热设施建设也在迅速扩张。

在供热管网的建设当中，管网的设计非常重要。热力管道设计时必须重视管道热胀冷缩的问题。为使管道在热状态下安全和稳定，减少管道热胀冷缩时所产生的应力，管道受热时的热伸长量应考虑补偿。

2 补偿器

热力管道的补偿方式有两种:利用管道自身弯曲的自然补偿和补偿器补偿。

2．1 自然补偿

自然补偿就是利用管道本身自然弯曲所具有的弹性，来吸收管道的热变形。管道弹性，是指管道在应力作用下产生弹性变形，几何形状发生改变，应力消失后，又能恢复原状的能力。实践证明，当弯管角度大于30°时，能用作自然补偿，管子弯曲角度小于30°时，不能用作自然补偿。自然补偿的管道长度一般为15m～25 m，弯曲应力σbw不应超过80 MPa。

管道工程中常用的自然补偿有:L形补偿和Z形补偿。

2．2 补偿器补偿

热力管道自然补偿不能满足，应在管路上加设补偿器来补偿管道的热变形量。补偿器是设置在管道上吸收管道热胀冷缩和其他位移的元件。常用的补偿器有方形补偿器、波纹管补偿器、套筒补偿器、球形补偿器和旋转补偿器。

1)方形补偿器。方形补偿器是采用专门加工成U形的连续弯管来吸收管道热变形的元件。这种补偿器是利用弯管的弹性来吸收管道的热变形，从其工作原理看，方形补偿器补偿属于管道弹性热补偿。

2)波纹管补偿器。波纹管补偿器又称波纹管膨胀节，由一个或几个波纹管及结构件组成，用来吸收由于热胀冷缩等原因引起的管道或设备尺寸变化的装置。波纹管补偿器具有结构紧凑、承压能力高、工作性能好、配管简单、耐腐蚀、维修方便等优点。

3)套筒式补偿器。套筒式补偿器又称填料式补偿器，它由套管、插管和密封填料三部分组成，它是靠插管和套管的相对运动来补偿管道的热变形量的。套筒式补偿器按壳体的材料不同分为铸铁制和钢制两种，按套筒的结构分为单向套筒和双向套筒，按连接方式的不同分为螺纹连接，法兰连接和焊接。

4)球形补偿器。球形补偿器是利用补偿器的活动球形部分角向转弯来补偿管道的热变形，它允许管子在一定范围内相对转动，因而两直管可以不在一条直线上。

3 免维护旋转补偿器的使用特点

免维护旋转补偿器是近十几年才发展起来的新型补偿器，其构造主要由整体密封座、密封压盖、大小头、减磨定心轴承、密封材料、旋转筒体等构件组成，安装在热力管道上需两个以上组对成组，形成相对旋转吸收管道热位移，从而减少管道上的应力。

3．1 免维护旋转补偿器的特点

1)免维护旋转补偿器补偿量很大，在管线使用中，最典型的安装方法有两种组合(∏形和 Ω形)，其中Ω形组合用于直管段时，双向补偿量可达1 800 mm(其他形式补偿器无可比拟)，一组补偿器可代替多个波纹补偿器或套筒补偿器。

2)免维护旋转补偿器在管道补偿时，不会产生盲板力或内压推力，不存在失稳、水锤现象，实践表明，在外管设计时它的推力可忽略不计，对于管道两头的固定支架作用很小，因此固定支架和混凝土座基可以做得小一些，大大降低工程成本。

3)免维护旋转补偿器采用独特的密封技术和国内最先进的密封材料，由于运行方式的不同，旋转筒体与密封材料磨损极小，所以不存在泄漏现象，十五年之内不需装密封材料。

4)其他形式补偿器由于补偿能力小，布置点多，安全性能差，维修不方便，尤其使用在城市地下管网，危险性大，实践证明，选择免维护旋转补偿器可以长距离铺设管网(1 000 mm内无需设补偿器)，补偿器使用数量及维修很少，管道泄漏点很少，流体阻力降低，压损降低，运行成本降低，据测算，其工程造价可降低20%～30%。

5)维修方便:实现在不停气的情况可带温、带压进行检修。

6)设计方便:当热力管网中的轴向位移或轴向推力较大，以及管网结构走向需要调整时，应用多只组成立体管道结构，可获得较大的补偿量和平衡能力，也可根据管网的结构改变管道的走向，只要计算其摩擦力即可。

3．2 动作原理

旋转式补偿器的补偿原理，是通过双旋转筒和L力臂形成力偶，使大小相等，方向相反的一对力，由力臂围绕着Z轴中心旋转，以达到力臂两边热管边产生的热膨胀量的吸收:

1)∏形组合旋转式补偿器(见图1，图2)。

当补偿器布置于两固定支架之间时，则热管运行时的两端有相同的热膨胀量和相同的热胀量和相同的热胀推力，将力偶回绕着O中心旋转了θ角，以达到吸收两端方向相对、大小相同的热胀量Δ。

当补偿器的布置不在两固定支架中心，而偏向热管较短的一端，在运行时的力偶臂L的中心O偏向较短的一端回绕来吸收两端方向相对、大小不等的膨胀量Δ1，Δ2。

图1 ∏形组合补偿器立体图（平行布置）

图2 ∏形组合补偿器平面图

虽然吸收热胀随着转角θ或力偶臂L的加大而增加，但为了限制y摆动过大，对θ值不超过表4的推荐值，L选在15 m～3 m范围内为宜。

该补偿器适应性较广，对平行路径(见图1)、转角路径及地下过渡至架空，均可布置。

2)Ω形组合旋转式补偿器(见图3，图4)。

图3 Ω形组合补偿器立体图（平行布置）

图4 Ω形组合补偿器正面图（直线布置）

Ω形组合旋转式补偿器，主要用在热管道的直管段。它在热管道两侧对称布置，由力偶臂L和成对的旋转筒组成Ω形状的两对，依靠两固定支架间的热管道，相对指向补偿器的热胀力推动两对力偶同步旋转，如图4所示的θ角和B间距由大变小，以达到吸收最大的热胀量Δmax=Bmax－Bmin。

3．3 选形要点

1)∏形组合式补偿器高H=旋转筒长+2×1．5DN，Ω形组合式补偿器宽=2×(旋转筒长+2×1．5DN)，见表1。

表1 H尺寸 mm

2)旋转补偿器是一种全新的补偿装置，它的补偿能力特别大，为此当使用本补偿器进行长距离补偿时可按表2设置导向支柱。

反思阶段涵盖了STEAM教育中的五门学科，实现学生核心素养的融合发展。教师引导学生思考发现了什么？学到了什么？用了什么科学原理？使用了哪种工具？表达对本次课程所涉及知识的观点，分享对本次课程最感兴趣的地方。学生巩固知识，完善了认知结构，培养了批判质疑精神、勤于反思精神以及实践创新精神，从文化基础、自主发展、社会参与三大方面发展六大核心素养。

表2 长距离补偿时导向支柱的间距

3)由于∏形组合式补偿器进行补偿时有横向摆动，故两侧一定距离内不准设置导向支架(见表3)。

表3 补偿器两侧导向支架离补偿器的距离 m

4)θ的大小直接影响密封材料的使用寿命，管子直径越大时，θ应越小，因此规定了它的极大值(见表4)，希望算出θ值不超过极大值。

表4 摩擦角θ的极大值

5)∏形组合式补偿器的补偿量Δ的确定(见图2)。

a．当∏形组合式补偿器安装于两固定支柱之中时，其中任一端的补偿量Δ=0．707 1L。

b．两固定支架间的总补偿量为2Δ。

c．两固定支架之间的∏形组合式补偿器偏装于某一固定支架且短臂热管为长臂的1/2时(长短臂热管要求Δ2=L2/L1Δ1)，长臂热管的热胀量Δ1=0．707 1，短臂热管的热胀量Δ2=0．5Δ1。

6)Ω形组合中的力偶臂L及安装时B尺寸的确定(见图4)。

力偶臂L:

安装时B:

最大补偿量:Δmax=BmaxBmin。

确保 Bmin≥Dw+2xδ+100 ～200;Bmax≥Bmin+Δmax。

其中，Dw为供热管外径;δ为保温厚。

7)旋转力偶的摩擦力矩及其推力。

推动力偶的转动，必须克服一对旋转筒的摩擦力矩。蒸汽温度对合金密封填料的膨胀系数略比钢材高，在其附加紧力造成的附加力矩不予考虑的情况下，确定其摩擦力矩。

合金密封填料箱内摩擦力矩Mk1，抗盲板力的摩擦力矩Mk2，热管道在运行情况下的一对旋转筒的总摩擦力矩为:Mk=1．2(Mk1+Mk2)Ncm。

∏形组合旋转补偿器的力偶臂L一般取1．5 m～6 m，特殊情况可以更长。力偶臂必须和一对大小相等、方向相反的力相互垂直，所以在热膨胀过程中，要使力偶旋转的力P由下式确定:

Ω形组合旋转补偿器的力偶由三只旋转筒左右两个L组成双力偶。L臂长计算见6)，L长度的计算值为最小值，可适当放大(减小θ角)，以减少膨胀时的推力。

3．4 安装方式

免维护旋转补偿器有多种安装方式，有同轴补偿、高转低补偿、直角补偿等，可实现多种安装位置，只需要有一定的安装距离即可。

4 应用

目前，免维护旋转补偿器已经应用到生产生活的多个领域中，既有普通热水管道，又有蒸汽管道，甚至高压型补偿器已用到高压蒸汽管道上，既可以架空、地沟使用，也可以直埋使用。免维护旋转补偿器的安装方式多种多样，同时可以组合使用，需根据工程各自的情况具体确定。

5 结语

免维护旋转补偿器在热力管道补偿方面具有相当的优势，尤其是运用到蒸汽输送管线上，具有无法比拟的优势。我相信，随着其不断完善和发展，将来前景必然会更加广阔，会更好地服务于人们。

［1］施振球．动力管道设计手册［M］．北京:机械工业出版社，2006．

［2］徐 力．旋转补偿器在架空蒸汽管网中的设计及应用［J］．河南科技，2011(12):8-9．

［3］胡良余．旋转补偿器在热网工程中的应用［J］．能源工程，2007(4):3-5．

［4］梁 丰，高百争．旋转补偿器一些布置方法的几何性质［J］．区域供热，2010(4):30-32．

［5］李善华，康 慧．实用集中供热手册［M］．北京:中国电力出版社，2006．