热力管道波纹补偿器的设计选用

热力管道波纹补偿器的设计选用

许燕芳 1 刘小东 2 庄利平 3

1 浙江华西铂锐重工有限公司， 浙江 杭州 310000

2 浙江省特种设备科学研究院， 浙江 杭州 310020

3 杭州锅炉集团股份有限公司， 浙江 杭州 310000

摘要：对于管道的补偿，《火力发电厂汽水管道设计技术规定》（DL/T5054-1996）第5.3.1条要求“应充分利用管道本身柔性的自补偿来补偿管道的热膨胀。当自补偿不能满足要求时，必须增设补偿器”。常用的波纹补偿器是型式种类最多、适用的场合及范围最广、设计选用最复杂的一种热力管道补偿器。不同型式的波纹补偿器有不同位移补偿功能，在热力管路设计中，可以根据管路的结构及设计参数综合考虑给予选型。

关键词：热力管道；波纹补偿器；设计选用；

引言：

波纹补偿器，习惯上也叫膨胀节，或者伸缩节。由构成其工作主体的波纹管（一种弹性元件）和端管、支架、法兰、导管等附件组成。主要用在各种管道中，它能够补偿管道的热位移，机械变形和吸收各种机械振动，起到降低管道变形应力和提高管道使用寿命的作用。基于此，本文就针对热力管道波纹补偿器的设计选用展开详细的分析与探讨。

一、波纹补偿器的分类及优缺点

1.波纹补偿器的分类

在供热管道设计施工过程中，应根据管道周围环境温度因素以及具体补偿需求，在安全第一、确保质量、经济实用原则前提下，合理选用适当的波纹补偿器。波纹补偿器主要依据吸收热位移的方式进行分类，主要分为三类：一是轴向型补偿器，其中包括平衡式、内压式、直埋式、外压式等；二是角向型补偿器，包括铰链补偿器以及万向铰链补偿器等；三是横向型补偿器，主要包括大拉杆式横向补偿器和万向铰链式横向型补偿器等。

2.波纹补偿器的优缺点

（1）波纹补偿器优点：众所周知的是，与小区供热网相比较，城市供热管网的影响面更大，所以这就要求热网的运行也必须更可靠。波纹补偿器在不断更新换代过程中，渐渐适应了城市热网的发展方向，受到城市规划和地理位置的影响越来越小，具有了不泄露、结构紧凑、维修率低、吸收设备振动幅度大，减少因设备振动对管道造成的损耗、流动阻力小、减少地震、地陷对管道的影响等一系列优点，波纹补偿器已越来越广泛的应用于城市供热网中。

（2）波纹补偿器缺点：同样，我们也注意到波纹补偿器存在的缺点与不足也有很多，集中表现为制造过程中耗费钢材，管壁较薄，承受扭力、振动的能力较弱，安全性差，在安装波纹补偿器的过程中，因其投资高、施工要求严格、设计安装准确度高，只要稍有差错，就往往达不到预期的使用寿命。目前，在大口径的供热主干线上，补偿设备唯一的选择就是波纹补偿器，一旦发生问题会造成十分严重的影响，所以必须引起高度重视。

二、热力管道波纹补偿器的设计选用

1.波纹补偿器的选型原则

热力管道设计中，波纹补偿器选型必须考虑以下几个问题：

（1）公称直径、连接型式

（2）设计压力、设计温度。

（3）介质产生的压力推力（盲板力

（4）波纹管及附件的材料选择

（5）疲劳寿命

（6）吸收位移形式

明确上述条件后，按照生产厂家样本资料中提供的波纹补偿器的各种参数来确定补偿器型号。一般生产厂家样本资料中所列各参数是在20℃情况下计算得出的，设计选型时应按补偿器的实际使用温度，根据生产厂家样本资料中提供的系数，对补偿量及刚度实施修正，以确定补偿器的实际补偿量和刚度。另外，生产厂家样本资料中给出了补偿器在诸疲劳破坏次数下的补偿量，设计选型时可根据产品工作的环境与使用寿命来选择不同疲劳次数下的补偿量。若实际选用的疲劳次数与样本所列的疲劳次数不符时，应按生产厂家样本资料中提供的系数对补偿量进行修正。

2.波纹补偿器的设计布置原则

热力管路系统设计由于受到各方面的制约，是相当复杂的。但任何复杂的管系都可以通过固定管架的设置，将其分成苦干形状相对简单的单独管段，如：直线型、L型、Z型、T型管段等。再根据这些相对简单的管段来确定管系的变形补偿，按轴向、横向和角向的补偿要求来布置相应的补偿器。

几种典型管段的波纹补偿器的布置：

（1）直管段中波纹补偿器的布置

由于直管段在热膨胀时只有轴向位移，可以选用轴向型波纹补偿器。直管段中轴向型波纹补偿器的典型布置（在直管段的两个固定管架之间，只能设置一个轴向型波纹补偿器）：轴向型波纹补偿器在工作状态下会产生较大的内压力及反弹力，而其自身不能吸收内压力所产生的压力推力，会增大对固定管架的轴向推力。但由于其结构简单，制造成本低，对于管道直径小，固定管架易于设置的管线，应优先采用。补偿管道直管段的轴向位移，也可选用直管压力平衡型波纹补偿器。该型补偿器能平衡介质内压力所产生的压力推力，减少对固定管架的轴向推力。适用于不易或很难设置主固定管架的高位直管线或大直径管线。对于公称直径DN≥200mm，公称压力PN≥1.6MPa的热力管道，选用平衡型波纹补偿器，有相对合理的技术经济性。

（2）L型管段中波纹补偿器的选用与布置

对于L型管段可选用横向型补偿器或角向型补偿器来吸收管道的横向位移。两个固定管架之间，只允许安装一个横向型补偿器或一组角向型补偿器。

（3）Z型管段中波纹补偿器的选用与布置

对于Z型管段推荐采用将复式拉杆型波纹补偿器或铰链型波纹补偿器安装在呈90°的Z形管道的中间短管臂内以补偿两端长管线轴向位移。

在某些情况下，可能有几种波纹补偿器都适合同一项应用，这时可以单纯根据经济性来考虑选择哪一种。然而，更为常见的是在各种可行的设计之中，应考虑到那一种具有独到之处，更适合在某些特定的场合下使用。

三、设置波纹补偿器时管道的管架设计

波纹补偿器具有优良的柔性，用于吸收管道热膨胀产生的位移和吸收设备产生的振动时，具有优良的性能。但是正因为具有优良的柔性，若安装不当，不但不能发挥其优良的性能，而且容易发生破坏，所以对设置波纹补偿器的管路，正确地进行管架设计和受力计算是很重要的。管架设计时，应在保证管道安全和正常运行的前提下，合理设置管架位置，尽可能降低管架费用，而固定管架的设置对管道的安全性与经济性影响最大。固定管架的设置必需满足下列条件：

（1）固定管架间管段的热伸长量不得超过补偿器的允许补偿量；

（2）管段因膨胀产生的推力不得超过固定管架所能承受的允许推力值；

（3）不宜使管道产生纵向弯曲。

固定管架间管段的热伸长量按下式计算：

△L＝Lα（t2-t1）cm

式中L—固定管架间计算管长，m；

α—管道材料的线膨胀系数，cm/（m·^oC）；

t2—管内介质温度，^oC；

t1—管道安装温度，^oC。

固定管架的推力应考虑最不利运行状态，按下列规定计算：（1）固定管架的水平推力应包括管道由于活动支座摩擦力产生的轴向推力、安装波纹补偿器时产生的内压力、补偿器反弹力等；（2）计算固定管架的水平推力时，应考虑固定管架两侧管道水平推力的抵消作用，考虑固定管架两侧管道由支座摩擦力、补偿器反弹力引起的水平推力抵消时，水平推力较小一侧推力数值应乘以0.7的系数。采用能吸收管道内介质压力所产生的压力推力的有约束型波纹补偿器，计算固定管架的水平推力时，不计内压力产生的压力推力。有关设置波纹补偿器管道的固定管架推力计算可参考《火力发电厂汽水管道设计技术规定》（DL/T5054-1996）进行，这里不累赘。

结语：

综上，本文主要探讨了波纹补偿器的分类以及优缺点，并分析了热力管道工程设计中波纹补偿器的选型与布置方式、设置波纹补偿器时管道的管架设计要求。总之，波纹补偿器在热力管道中有着广泛的运用，只有全面掌握国家标准、规范、技术措施和设计手册对轴向波纹补偿器的特点介绍和设计要求，才能在实际供热工程设计中正确选用，不仅要满足热力管道安全平稳运行的基本要求，还要通过选用最合适的补偿器，减少补偿器个数和补偿器井的设置，达到节省工程费用的目的。

参考文献：

[1]李汉明.波纹补偿器在管系工程中的应用[J].2016.

[2]CJ/T402-2017.城市供热管道用波纹管补偿器[S].2017.

[3]龙跃.热力管道波纹补偿器的设计选用浅析[J].2016.