旋转补偿器在配管设计中的应用

吴 涛， 郝春兰

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

旋转补偿器在配管设计中的应用

吴 涛， 郝春兰

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

旋转补偿器具有补偿量大、设计方便、安全性能高等优点，因而被越来越多的设计者选用。文章以实际工程为例，介绍了旋转补偿器的工作原理及在配管过程中如何确定各参数的值。

旋转补偿器； Π型组合； 预偏装量

0 前言

随着社会的进步，节约经济、控制成本成为了社会普遍关注的热点和国家的基本政策。由于旋转补偿器具有补偿量大、设计方便、安全性能高、组合形式多等优点，越来越多的配管工程师在配管设计时选用了旋转补偿器。因为旋转补偿器既可以设置在直管段的任意位置进行热补偿，又能利用管线自然转角布置以满足管系热补偿的要求。相对于其它形式的补偿器，旋转补偿器可以减少管系补偿器的个数及固定支架的设置数量。另外，采用旋转补偿器时，固定支座的推力比较小，从而降低了土建工程量、节省工程投资，而且在一定程度上简化了管网的设计难度。

1 项目基本情况

某工程项目中，铜厂与铅厂相距615 m。两厂之间有一管桥连接，管桥有两层，层高2.2 m，宽3 m。项目需要将两厂之间的低压蒸汽与中压蒸汽管道利用管桥连通互用；另外，管桥上还敷设两根水管及电缆等。由于蒸汽管道温度较高，是本项目的设计重点，本文将对两根蒸汽管道热补偿进行详细设计，另外两根水管的配管设计本文不做详细阐述。

中压蒸汽管道参数：D273×11 PN4.4MPat=257 ℃ 材料为20号无缝钢管。

低压蒸汽管道参数：D325×7 PN0.8MPat=180 ℃ 材料为10号无缝钢管。

2 确定蒸汽管道补偿形式

由于两厂相距较远，蒸汽管道在生产运行时会产生很大的热位移。为了解决管道的热位移，有两种方案可供选择：(1)选用轴向波纹补偿器；(2)选用旋转补偿器。究竟选用哪种形式的补偿器比较经济合理？通过表1比较来得出结论(仅对低压蒸汽管道进行比较)。另外，蒸汽管道沿管桥敷设，支架费用不单独列表计算。

从经济投资比较看，低压蒸汽管道热补偿选用旋转补偿器比选用轴向波纹补偿器节约了6.4%的投资。同理，中压蒸汽管道热补偿也选用旋转补偿器会比选用轴向波纹补偿器节约投资。因此，本项目选用旋转补偿器比较经济合理。

表1 两种不同补偿器形式的投资价格比较表

3 旋转补偿器布置形式

旋转补偿器在管系中是成对或成组布置的，一般由2支或3支组成。其基本的布置形式主要有Π型组合、Ω型组合，另外还有几种Π型组合的变异组合。由于Ω型组合存在一些缺点：需由3支旋转补偿器、弯头较多、臂长不可能更长等。因此，选用Π型组合。

3.1 Π型组合工作原理

图1 Π型组合示意图

该类补偿器组合主要用于受热管线的直线管线错位及拐角或者短距离直线管段中，其布置形式详见图1。当补偿器的布置离两端固定支架距离相等时，在热胀推力F构成的力偶作用下，力臂L环绕中心O旋转θ角，从而吸收两边管道的热膨胀量ΔL。而当补偿器布置在离两端固定支架的距离不相等时，在运行时力臂L的中心O则会偏向较短管线的一端，通过回绕来吸收两端方向相对、大小不等的膨胀量ΔL1、ΔL2[2]。管道热伸长的始、末点在同一直线上，但其间的行程是以O点为圆心的弧线。旋转补偿器Π型布置时，伴随管道的热伸长，被补偿管道将产生横向移动。在补偿量达到l/2ΔL时，横向移动达到最大值y[3]。

3.2 旋转补偿器在管桥中的设计

本工程中有2根蒸汽管道和2根液体管道，蒸汽管道温度高、热位移量大；2根液体管道温度低、热位移量小。将2根蒸汽管道布置在管桥的两边，然后在需要安装旋转补偿器的地方利用Π型组合交错换位，如图2所示。这样既解决了管道热位移又不多占用管桥的宽度。最后，将2根液体管道布置在两根蒸汽管道之间。

图2 Π型组合旋转补偿器三维模型图

4 配管详细设计

将中压蒸汽与低压蒸汽管道全长615 m分为5段，每段分别设置一组Π型组合的旋转补偿器用来吸收蒸汽管道的热位移。其中，旋转补偿器设置在两端固定支架的中间。下面，以这5段中的某1段为例进行详细配管设计。所选管段长126 m。其余4段可参照此段进行设计。

4.1 管道热位移量计算

管道热位移量计算公式如下：

ΔL=Lα(t2-t1)

(1)

式中 ΔL—管道热伸长量，mm；L—计算管长，m；α—管道的线膨胀系数，mm/(m·℃)；t2—管道内介质温度，℃；t1—管道设计安装温度，℃，可取用20 ℃。

4.1.1中压蒸汽管道热位移量计算

将中压蒸汽管道各参数带入公式(1)，其中L=126 m，t2=257 ℃，查《动力管道设计手册》表1可得，α=12.45×10-3[mm/(m·℃)]，所以：

ΔL=Lα(t2-t1) =126×12.45×10-3×(257-20) =372 mm

4.1.2低压蒸汽管道热位移量计算

将低压蒸汽管道各参数带入公式(1)，其中L=126 m，t2=180 ℃，查《动力管道设计手册》表1可得，α=12.6×10-3[mm/(m·℃)]，所以：

ΔL=Lα(t2-t1) =126×12.6×10-3×(180-20) =254 mm

4.2 预偏装量

预偏装量是在旋转补偿器安装过程中所需的一个数值，具体数值为热位移量的一半，偏装方向为管道伸长方向的相反方向。

中压蒸汽管道与低压蒸汽管道的热位移量分别为372 mm和254 mm。由于将旋转补偿器设计在两固定支架的中间，故预偏装量为热位移量的1/4，即中压蒸汽管道与低压蒸汽管道的预偏装量分别为93 mm和64.5 mm，取整数100 mm和70 mm。并与管道热伸长方向相反，偏装位置见图3。

图3 旋转补偿器偏装示意图

4.3 力臂L

管道的热伸长是依靠力臂L的旋转来吸收的。对于Π型组合，管道力臂L的旋转将带来被补偿管道的横向移动y(见图1)。设计时，应尽量减小横向移动对管系安全运行的不利影响。设计时在满足管道刚度、强度要求的同时，当θ≤60°，力臂L的长度在2～6 m范围内为宜。

从图3中旋转补偿器力臂L的三角关系可知，

(2)

式中L1—旋转补偿器中心X向距离，m；L2—旋转补偿器中心Y向距离，m。

4.3.1L1的确定

由于管道布置在管桥里面，且管桥宽3 m，去掉管道与管桥之间的净空及管道的外径、保温厚度等尺寸，取L1=2.1 m。中压蒸汽管道与低压蒸汽管道L1相同。

4.3.2L2的确定

低压蒸汽管道与中压蒸汽管道通过Π型组合旋转补偿器交错布置，工程项目在正常生产运行时，两根管道会推动旋转补偿器进行移动。因此，为了防止两根管道的旋转补偿器发生碰撞，两根管道的旋转补偿器之间应留出合适的距离。

低压蒸汽管道的热位移量为254 mm，则旋转补偿器两边的管道在正常运行时各伸长254/2=127 mm。DN300的蒸汽管道上的旋转补偿器的最大外径尺寸为477 mm，则管中心至旋转补偿器的最外缘为477/2=238 mm。

为了使两根蒸汽管道的旋转补偿器在达到最大位移量时不碰撞，预留280 mm的空间，即每根蒸汽管道预留140 mm。

因此可得，低压蒸汽管道的L2=2×(127+238+140)=1010 mm，取1000 mm。

中压蒸汽管道的热位移量为372 mm，则旋转补偿器两边的管道在正常运行时各伸长372/2=186 mm。DN250的蒸汽管道上的旋转补偿器的最大外径尺寸为425 mm，则管中心至旋转补偿器的最外缘为425/2=213 mm。

因此可得，中压蒸汽管道的L2=2×(186+213+140)=1078 mm，取1080 mm。

4.3.3低压及中压蒸汽管道力臂L的确定

由公式(2)可得，

2 m <2.32 m<6 m，2 m <2.36 m<6 m，因此，力臂L取值适宜。

4.4 旋转角度θ

旋转角度θ不仅关系到补偿器内部密封材料的使用寿命，而且直接影响固定支架的受力。为限制y值过大(见图1)，设计时须对θ角(与补偿量成正比)加以限制。θ的大小直接反映了补偿量的大小：θ值越大，补偿量越大，同时y向的摆动也越大。选用Π型组合旋转补偿器时，一般θ值应≤60°，并且当管径较大时，θ值也应相应减小，以减小管道位移对固定支架产生的摩擦力，并保证运行时补偿器的安全可靠。

本工程实例中旋转角度θ计算公式为：

θ=2arcsin(ΔL/L)

(3)

式中 ΔL—管道热位移量，mm；L—力臂，mm。

由公式(3)可得，低压蒸汽管道旋转角度：

θ=2arcsin(ΔL/L)=2arcsin(254/2320)=12.57°<60°，旋转角度取值合适；

中压蒸汽管道旋转角度：

θ=2arcsin(ΔL/L)=2arcsin(372/2360)=18.13°<60°，旋转角度取值合适。

4.5 H臂

H臂的长度应满足不同布置形式下，补偿器本体、连接管段及弯头的安装长度要求。一般补偿器产品样本中会给出H值，也可按照下式计算确定：

H≥本体长度+2R

式中R—弯头的曲率半径，通常取值为l倍的公称直径或1.5倍的公称直径。

旋转补偿器本体长度选取某厂家的产品样本，其中DN250、DN300的旋转补偿器长度均为360 mm。另外，蒸汽管道布置在管桥里面，管桥层高为2.2 m，则H臂的长度受限制，因此弯头选取短半径弯头，即取1倍的公称直径，R=1DN。

中压蒸汽管道H臂：H=360+2×250=860 mm。

因为低压蒸汽管道与中压蒸汽管道的Π型组合旋转补偿器交错布置(如图2所示)，大管径管道的曲率半径较大，且管桥层高固定，设计时将管径较大的低压蒸汽管道的力臂L设置在中压蒸汽管道的力臂L之上。则低压蒸汽管道H臂：H=中压蒸汽管道H臂+中压蒸汽管道外径/2+低压蒸汽管道外径/2+2×保温厚度+两管净空距离=860+273/2+325/2+2×100+100≈1460 mm。

5 结语

旋转补偿器具有补偿量大、设计、安装方便、投资省、产品安全性能高。Π型组合可以变异为多种形式，使设计者能够对管系灵活布置、进行多种形式的组合，为工程设计降低了难度。但也存在架空敷设时局部美观性不足、管桥敷设时空间受限制及占用空间大。设计人员在进行管网设计时，应结合工程实际情况，因地制宜合理选型、巧妙配置，并对旋转补偿器各个参数认真设计，以达到设计出一个经济、安全、优化的工程。

[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，2006.

[2] 徐志滨.GSJ-V旋转补偿器的选型要点及注意事项[J].管道技术与设备，2006，(3)：42-43.

[3] 朱剑.旋转补偿器在热力管网设计中的应用[J].煤炭工程，2008，(6)：44.

ApplicationofRotaryCompensatorinPipelineDesigning

WU Tao， HAO Chun-lan
(China ENFI Engineering Corporation, Beijing 100038, China)

Rotary compensator has many advantages such as long distance compensation, designing easily, high security and so on, so it is used more and more by designer. The article takes an actual project as the example, introduces rotary compensator principle of operation and how to determine parameters in pipeline designing.

rotary compensator； combination of “Π” form； beforehand deviation device

2013-10-22

吴 涛(1981-)，男，陕西横山人，工程师，硕士研究生，主要从事配管工作。

郝春兰(1982-)，女，内蒙古阿拉善左旗人，工程师，大学本科，主要从事化学水处理站、综合管网、氧气站等设计工作。

TQ050

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1003-8884(2014)04-0030-04