蒸汽管道方（矩）形补偿器的设计与选用

摘 要：【目的】通过详细的分析和比较，探讨不同类型的蒸汽管道补偿器对管道热应力及其相关参数的影响，以优化电厂项目中的蒸汽管道设计，为未来类似项目中补偿器的选择和设计提供科学依据和参考。【方法】通过构建不同类型（方形和矩形）补偿器的管道模型，进行热应力模拟，分析不同臂长的多种补偿器配置情况，以评估这些因素对管道的最大一次应力、最大二次热应力、热位移以及固定点约束反力的影响。【结果】不同类型的补偿器对管道的热应力表现出显著的影响。优化补偿器的选择和配置能够显著提高管道系统的整体稳定性和可靠性。【结论】研究结果不仅能够指导类似项目的补偿器选型，还为提高管道系统的安全性和经济性提供了理论依据和实践经验。

关键词：热力计算；方（矩）形补偿器；热位移；二次热应力

中图分类号：TK284.1" " " 文献标志码：A" "文章编号：1003-5168（2024）22-0048-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.010

Design and Selection of Square （Rectangular） Shape Compensator for Steam Pipeline

Abstract： [Purposes] This paper aims to discuss the influence of different types of steam pipeline compensators on the thermal stress of the pipeline and its related parameters through detailed analysis and comparison， so as to optimize the steam pipeline design in power plant projects， which provides scientific basis and practical reference for the selection and design of compensators in similar projects in the future. [Methods] The thermal stress was simulated by constructing pipeline models of different types （square and rectangular） compensators. The analysis covered a variety of compensator configurations of different arm lengths ， to assess the impact of these factors on the pipe's maximum primary stress， maximum secondary thermal stress， thermal displacement， and fixed point confinement reaction. [Findings] The different types of compensators showed significant effects on the thermal stress of the pipeline. Optimizing the selection and configuration of compensators can significantly improve the overall stability and reliability of the pipeline system. [Conclusions] The research results of this paper can not only guide the selection of compensators for similar projects in the future， but also provide theoretical basis and practical experience for improving the safety and economy of pipeline system.

Keywords： thermodynamic calculation; square （rectangular） shape compensator; thermal displacement; secondary thermal stress

0 引言

目前，热力管道被广泛应用于电力、石油、化工、医药、电子和市政等行业，用于输送蒸汽或其他高温介质。通常情况下，输送介质温度同环境温度相差较大，在初次投入使用以及启停过程中，管道在热胀冷缩作用下，会不可避免地产生热位移和二次热应力［1］。为解决此问题，通常在热力管道设计中采用补偿以消除热位移。补偿方式会优先考虑自然补偿，当自然补偿无法满足时，才考虑装设各类的补偿器，其中又以方（矩）形补偿器最为常见［2］。本研究通过热应力软件CAESARⅡ分析不同方（矩）形补偿器在不同状态下管道最大一次应力、最大位移、最大二次热应力和固定点约束反力情况［3］，为后续方（矩）形补偿器的选用和设计提供参考。

1 工程概况及蒸汽管道的布置

某电厂项目新增一层生产车间，需求蒸汽参数为0.6 MPa饱和蒸汽，温度为165 ℃，经计算蒸汽管道管径选用DN100（Φ108×4 mm），管道材质为20钢，设计压力为0.7 MPa，水压试验压力为1.05 MPa，管道保温厚度根据项目要求为100 mm，保温材料采用离心玻璃棉，容重为100 kg/m3。管道大致路由老厂原有蒸汽立管接出，至工艺机房，沿生产厂房柱侧布置，长度约50 m。为了不影响原有蒸汽管路系统位移及受力情况，新增蒸汽管路在原有接管附近设置固定点与原有系统分开，本文着重研究新增段管道的热位移及受力情况。

2 热补偿的计算与补偿方式选择

管道热伸长量的计算见式（1）［4］。

[ΔL=Lαt2−t1] （1）

式中：[ΔL]为热伸长量，mm；L为蒸汽管长度，m；α为碳钢管道平均线膨胀系数，×10-6/℃；t2为管道内介质温度，℃；t1为环境温度，℃。

已知管道长度L=50 m，α=11.58×10-6/℃，t2=165 ℃，t1=20 ℃。通过计算热伸缩位移达84 mm，相对于DN100管道，该管道运行过程中偏移量超过管径一半，对管道弯头处会造成应力集中，不利于管道系统稳定，因而考虑在管道中间设置一个方（矩）形补偿器。

方（矩）形补偿器因其具有成本低、制造简单方便、适用范围广、吸收补偿量大和运行安全可靠等优点，是热力管道中最为常见的一种补偿器［5］。目前，几种常见的型式［6］如图1所示。

3 方（矩）形补偿器选型分析

补偿器管道布置如图2所示。管道节点由数字10～160表示，以10为步长递增。根据结构特点以及管道布置情况，将管道沿厂房直行部分约36 m两侧设置固定点，中心位置设置补偿器，两个固定点之间以4 m为间距设置滑动支吊架，靠近方形补偿器位置两侧设置导向支架，导向支架至补偿器外伸壁的距离长度满足16～40 DN。

根据以上管道布置，利用应力分析软件CAESARⅡ建立计算模型，应力校核按ASME B31.1规范验证。首先验证支吊架设计荷载以及支吊架处位移情况；其次根据热伸缩补偿量和《动力管道设计手册》推荐外伸臂长约1 500 mm，故分析方形补偿器H=1 500 mm、B=1 500 mm情况下支吊架各节点的受力及位移情况，具体见表1。

由表1可知，支吊架约束反力均匀分布，支吊点处z向位移为0，无脱载现象，支吊点设置比较合理。

本研究利用应力分析软件CAESARⅡ，分别对不同方（矩）形补偿器型式、不同臂长H的补偿器进行管道应力分析，并对比不同情况补偿器下管道最大一次应力、最大位移以及最大二次热应力情况，为方（矩）形补偿器设计和选择提供方向［6］。

3.1 不同方（矩）形补偿器型式的对比分析

根据热伸缩补偿量，《动力管道设计手册》推荐外伸臂长约1 500 mm，故以外伸臂长H=1 500 mm为例，分别测试4种型式补偿器下管道固定点约束反力、最大一次应力、最大位移和最大二次热应力情况［7-8］。外伸长量H=1 500 mm时，通过应力分析软件CAESARⅡ分析所得数据见表2和表3。

由结果可知，不同型式补偿器对固定点的作用力大小主要沿管道布置方向，即图2中的x方向，随着宽度B的减小，受力有增大趋势；最大一次应力位于导向支架处60/130节点，最大位移点位于方形补偿器母管弯头处70/110节点，最大二次热应力位于方形补偿器伸出弯头处80/100节点，最大一次应力、最大位移和最大二次热应力也均随着宽度B的缩小而增大，但均在《动力管道》（ASME B31.1）规范许用应力范围内。当外伸臂长度满足补偿量需求时，即便宽度B=0（4型），二次热应力也仍可满足许用应力要求，因而宽度B的大小对方形补偿器选择的影响较小，设置方形补偿器时可根据现场实际布置情况调整宽度B的大小，选择适合的补偿器型式。

综上所述，补偿器型式即宽度B的大小对管道热位移及最大热应力影响较小，补偿器宽度B可根据现场管道布置实际情况调整，当管道空间足够时，可尽量选择2型方形补偿器，受力均匀；当管道布置空间有限时，可缩小补偿器宽度B，选择3或4型补偿器。

3.2 不同方（矩）形补偿器外伸缩臂长对比分析

以方形补偿器为例，分析外伸长量H分别为500、1 000、1 500和2 000 mm时管道固定点约束反力、最大一次应力、最大位移、最大二次热应力情况，通过应力分析软件CAESARⅡ分析所得数据见表4和表5。

经分析可知，随着外伸长量H的减小，最大一次应力变化不大，均在《动力管道》（ASME B31.1）规范许用范围之内。固定点约束反力和最大二次热应力均有增大趋势，与宽度B相比外伸长量H的大小对管道系统影响效果更明显。当伸长量为500 和1 000 mm时，最大二次热应力位置均会超过ASME B31.1规范许用应力，该规格下的方形补偿器不可行。从表格数据可知，当热伸长量H过小时，还会造成最大位移和对固定点约束反力陡增，对管道系统的稳定性和使用安全性造成影响。

综上所述，伸长量H的选择对方形补偿器的选用至关重要。在影响管道系统固定点受力、热二次应力上，伸长量H与宽度B相比更敏感，因而补偿器设置时应着重考虑管道外伸长量H的选定。选定外伸长量H时，需至少满足方（矩）形补偿器外伸缩长度H不得小于《动力管道设计手册》表6-3中外伸缩臂长度。

4 结语

本研究总结了方（矩）形补偿器在蒸汽管道中的应用型式，通过对比方形补偿器的不同要素，利用应力分析软件CAESARⅡ分析管道最大一次应力、最大二次热应力、最大位移以及固定点约束反力情况，从而发现影响补偿器设计的主要影响因素，以此指导选择适合的方（矩）形补偿器，在工程设计中有一定的指导意义，研究结论如下。

①方（矩）形补偿器随着宽度B和外伸长量H的减小，均会导致固定点约束反力和弯头处二次热应力的增加。

②方（矩）形补偿器宽度B大小对补偿能力影响较小，可根据项目实际情况进行选择，外伸长量H与宽度B相比，对补偿器影响更大，需着重考虑外伸长量H的设计。

③方（矩）形补偿器外伸长量H不得小于《动力管道设计手册》表6-3中推荐外伸缩臂长度。

参考文献：

［1］《动力管道设计手册》编写组.动力管道设计手册［M］.2版.北京：机械工业出版社，2020.

［2］高勋.关于管道方形补偿器的计算与安装［J］.科技与企业，2016（6）：224-225.

［3］秦峥嵘，曹庆宇，徐升，等.基于CAESARⅡ的排气系统管道热补偿设计［J］.机械工程师，2021（12）：140-142.

［4］赵廷元，岳学文.热力管道设计手册［M］.太原：山西科学教育出版社，1986.

［5］肖晶，王亚军.蒸汽管道的热补偿设计案例［J］.中国石油和化工标准与质量，2020，40（14）：172-173.

［6］蔡欣.动力管道热补偿器的使用［J］.玻璃，2019（3）：34-40.

［7］王莹，陈蒙，郑远凯，等.综合管廊内高参数蒸汽管道应力分析及优化［J］.区域供热，2020（4）：141-145.

［8］高婉丽，李玲，吴光中，等.低压大口径低温管道热补偿方法研究［J］.化工设备与管道，2021，58（5）：67-70，79.