常用补偿器在热力管道设计中的对比分析

杜文江

（兰州有色冶金设计研究院有限公司， 甘肃 兰州 730000）

0 引言

热力管道在运行状态下温度要比安装状态高，运行状态温度的升高伴随着管道的热膨胀。目前，国内热力管道多使用钢制无缝管，在管道膨胀时往往伴随着较大的应力，若对管道的热膨胀处理不当往往造成生产事故，造成生命和财产损失。

在相关研究中，董同武对管道的热补偿理论进行了论述，对一些设计中应重视的问题进行了阐述，针对实际工程中出现的一些问题进行了详细的分析和说明[2]。陈鹏针对供热管道及其补偿器的相关设计进行了分析和计算，并对长直管段的补偿器产生异常位移的情况进行了分析，对采取的措施进行了简单的论述，总结了供热管道各个阶段应注意的问题[3]。

本文针对工程中使用的方形补偿器和波纹补偿器进行对比分析，对两种补偿器在相同直管段、相同补偿量下的管道应力和对固定支架的推力进行计算，并对计算结果进行分析对比。

1 模型建立

本文为对比2 种补偿器（波纹补偿器和方形补偿器），选取相同的管道模型。选取管径为D219X6，管道长度50 m，工作介质为水，管道设计压力1.6 MPa，设计温度150 ℃。管道模型两端设置固定支架，其它位置设置滑动支架，并假设管道为架空敷设。

图1 方形补偿器模型尺寸图

图2 波纹补偿器模型尺寸图

2 应力计算

应力计算的主要工作包括：a.在内压和外载的持续作用下计算管道承受的一次应力；b.由热胀冷缩产生的二次应力。通过对以上应力的计算判断管道设计是否安全。

（1）一次应力计算：

管道中由于压力、重力和其它持续荷载所产生的纵向应力之和 σL不应大于最高温度下材料的许用应力[σ ]h，计算公式如下[1]：

（2）二次应力计算：

[σ ]c—位移循环内管道在最低温度下的许用应力，MPa；

[σ ]h—位移循环内管道在最高温度下的许用应力，MPa；

3 计算结果与分析

(1)方形补偿器计算结果如下：点在50、68 节点处，应力值为234209.6 kPa，比率为91.8%。

表1 方形补偿器安装工况下应力计算结果

表2 方形补偿器纯热态工况下应力计算结果

表3 方形补偿器运行工况下支架受力计算结果

从表3 可以看出，管道支架最大受力点为10、110 点，即固定点。其它支点除受重力外，水平方向的推力为摩擦力引起，受力较小。

(2)波纹补偿器计算结果如下：

表4 波纹补偿器安装工况下应力计算结果

从表4 可以看出，波纹补偿器模型一次应力基本满足要求。一次应力最大点在30、100 节点处，应力值为23411.9 kPa，比率为21.2%。波纹补偿器模型纯热态工况下应力计算值为零。

表5 波纹补偿器运行工况下支架受力计算结果

从表5 可以看出，管道支架最大受力点为10、120 点，即固定点。其它支点除受重力外，水平方向的推力为摩擦力引起，受力较小。

4 结论

通过对方形补偿器和波纹补偿器两种模型的计算，对比分析计算结果，得出以下结论：

（1）方形补偿器模型较波纹补偿器模型管道所受应力较大，但两种补偿方式管道模型应力均满足材料的使用要求。

（2）两种补偿器形式在不考虑其它支架受力，只针对固定点，其受力波纹补偿器明显大于方形补偿器。波纹补偿器模型固定点的受力为97290 N，对于实际设计中支架的设计带来一定的难度。