浅谈波纹补偿器在热力管中的应用

浅谈波纹补偿器在热力管中的应用1引言2008年3月底，刚大修完（3月中旬完工）的某厂高炉，热风主管由于受热膨胀，固定支架强度不够，使波纹补偿器伸长，热风主管串位150mm左右，致使波纹补偿器失交而关闭相应热风炉抢修，为了以最快速度恢复生产，在波纹补偿器外包复一层铁皮，取代波纹补偿器。作为管路系统中补偿管道位移的挠性元件——波纹补偿器，自20世纪80年代起，逐渐在国内冶金行业得到广泛的应用。特别是在高温压力管道系统中，如高炉热风炉的热风送风管道、高炉荒煤气管道、发电厂热风管道，成为管路组成不可缺少的元件。波纹补偿器的使用，解决了复杂受力条件下管道接口被拉裂、管道法兰螺栓受剪、法兰错位、管道内衬开裂、倒塌而导致管道发红、变形，造成系统漏风而危及生产安全的问题。在实际运用中，波纹补偿器受损漏气，甚至被撕裂的情况，很难采取补救措施，尤其是对带有耐火材料砌筑体的高温压力管道来说，施工难度很大，需要付出较多的人、材、物的投入和较长时间的生产损失。因此，如何在热力管道系统中应用好波纹补偿器是一个值得想象的课题。2波纹补偿器特点2.1波纹补偿器的分类波纹管补偿器根据位移形式可基本分为轴向、横向、角向三类，每一类都有各自的优点和缺点，所以必须根据不同的使用条件，恰当地选用才能使波纹补偿器正常工作，做到波纹补偿器设计选型经济、合理。波纹补偿器大体上可分为以下几类。轴向补偿直管段上的膨胀节对沿膨胀节及管段的轴向方向拉伸与压缩进行补偿。膨胀节给出的额定补偿量包括拉伸、压缩位移的总和。在工作时主要是利用其波纹部分的轴向变形来吸收管道的轴向位移。横向补偿是在“L”、“Z”、“Ⅱ”型管道中的补偿形式。通过成对的波纹管弯曲变形实现直线补偿。角向补偿管路补偿需要膨胀节作弯曲变形，它们往往是两个或三个角向式膨胀节组合使用，实现直线补偿。铰链型补偿器在结构上由波纹管、活动铰链、销轴组成。该补偿器可在同一平面内作角向偏转，因此可吸收管道在同一平面内的角位移。万向铰链型补偿器在结构上由波纹管、铰链和万向铰链组成。它可以在任意平面内作角向偏转，从而可吸收管道的任意平面内的角位移（空间角位移）。轴向型（通用型）补偿器，是应用最多的也是最基本的型式，在此主要以轴向型波纹补偿器进行介绍。2.2波纹补偿器的使用特点波纹管补偿优点是：体积小、重量轻、节省钢材、占地面积小、流动阻力小、不易渗漏。尽管波纹补偿器有很多优点，但它也有自身的缺点，例如轴向型波纹补偿器对主固定支架产生压力推力，管壁较薄不能承受扭力，设备投资高等。如图1所示，通用型波纹补偿器主要用于补偿管道的轴向位移及少量补偿管道的横向位移，减震吸噪，具有管系设计简单，易安装，造价低等优点。但在用于大口径管系时因内压推力过大，要特别注意固定支架的强度，以免发生固定支架失稳现象。2.3通用型波纹补偿器的型式通用型波纹补偿器分法兰式和管接式两种，如图2、图3所示。通用型波纹补偿器的表示形式：3波纹补偿器的补偿能力波纹补偿器按以下公式计算补偿能力：ΔL=nΔl（1）式中ΔL——补偿器的全部补偿能力mmΔl——一个波节的补偿能力mmn——波节数当波节较多时，工作中波节边缘比中间的变形大得多，且中间部分沿轴线向外弯曲，每个波节变形失去对称性，所以波节数一般取1~4。4波纹补偿器的使用寿命4.1影响波纹补偿器使用寿命的因素波纹补偿器是以奥氏体不锈钢为材料一次滚压成型，能承受压力具有弹性的波纹形管状元件，用以补偿管路和设备位移的挠性元件。波纹补偿器的使用寿命，一般以其疲劳破坏次数N来表示。根据波纹管的结构参数、补偿量和压力值，疲劳破坏次数可通过计算和实验得出。根据某产品实际测试得出波纹补偿器在工作压力、管道位移不等量变化时对补偿器许用寿命影响的数据作出关系图。图4是波纹补偿器工作压力与许用寿命的关系图，图5是波纹补偿器变形量与许用寿命的关系图。由图4可知，波纹补偿器在额定位移附近使用时，工作压力的变化对许用寿命影响很小；只有在工作位移量离额定位移较大时，工作压力的变化对许用寿的影响才较为明显。而工作压力无论在何范围内，波纹补偿器的位移量对其许用寿命的影响是非常大的，见图5。4.2波纹补偿器预变形用函数将图5波纹补偿器工作位移与寿命的关系表达成N=f[1/（x/x0）n]，其中，N为使用寿命，x为工作位移量，x0为额定位移量，n大于0的数字。对N求导可得：（2）负值表示位移量增大，寿命减少。可见，尽量减少实际工作中的位移量，对提高波纹补偿器使用寿命是非常有效的。所以，波纹补偿器安装前的预变形工作非常重要。通常，轴向波纹补偿器轴向预变形量由下式确定：△X=X[1/2-(T0-Tmin)/（Tmax-Tmin）]（3）式中：△X—轴向预变形量mmX—轴向补偿量mmT0—安装温度℃Tmin—最低使用温度℃Tmax—最高使用温度℃△X为正表示预拉，为负表示预压。式（3）的补偿量是按管系的使用温度之差（Tmax-Tmin）进行计算得出，所考虑的管系正常使用温度为（Tmax-Tmin）/2，故该式只适用于管系介质温度近似于环境温度，且在环境温度下使用的管系，不适用于高温管系和低温管系。因为预变形的目的是要使波纹补偿器经常处于中性状态，即其自由状态（不拉和不压）附近，这样可最大限度地延长其使用寿命，而高温管系和低温管系的正常使用温度偏差离（Tmax-Tmin）/2较远。所以，高温管系和低温管系的波纹补偿器轴向预变形计算式应进行修正。修改后的预变形量为：△X=XC（4）式中XC是根据管系在最常使用温度TC与安装温度T0之差（TC-T0）下所计算出的位移量。为保证波纹补偿器使用的可靠性，补偿量X仍可按（Tmax-Tmin）进行计算来选用补偿器。因此，XC与X关系应为XC/X=（TC-T0）/（Tmax-Tmin）。故（3）式修改为：△X=X[（TC-T0）/（Tmax-Tmin）]（5）按（5）式进行预变形后，可使波纹补偿器经常处于自由状态附近工作，不仅可减小对管路支架和设备的推力，更重要的是可大大地延长补偿器的使用寿命。式（5）为通用式，适用于各种使用温度条件下的波纹补偿器的预变形量计算。横向和角向的预变形量可参照该式得出。4.3减少波纹补偿器的压力变化由图4可知，波纹补偿器当工作位移量在其额定位移量附近时，决定补偿器寿命的主要因素是工作位移；而一旦将其位移量限制在其自由状态下附近，如对波纹补偿器作了预变形，压力的变化是波纹补偿器的使用寿命的决定因素。但由于受工艺条件的要求和限制，设计和安装对补偿器的受压是不可控的。但有些情况下，可通过工艺设计来改变波纹补偿器的压力条件，达到延长补偿器的使用寿命。如高炉热风炉支管处，将波纹补偿器安装在靠热风炉侧和安装在靠热风主管侧的受压情况将发生很大的变化。前者波纹补偿器的受压随同该热风炉烧炉、送风的压力变化而周期性地变化；后者波纹补偿器的压力总是与热风主管的压力相同，正常生产时压力基本稳定，因此可减少疲劳次数，延长使用寿命。5波纹补偿器串联使用波纹补偿器串联使用的原则是：相同变形方向的补偿器之间必须有约束构件（如固定支架、杆件等）分隔，使每个补偿器的职责范围明确。靠补偿器的弹性力来使若干个串联补偿器共同均匀承担变形是靠不住的，尤其是对于砌有内衬的管路和设备。如高炉热风炉的热风主管波纹补偿器的设置，见图6。大拉杆仅仅是对串联波纹补偿器的两端的补偿器的约束，中间各补偿器仍采用次固定支架进行隔离，使系统工作稳定。6波纹补偿器的选择热力管网两固定点之间的最大长度是由管道失稳条件决定的，它与管径的大小及补偿器的补偿能力有关，一条管线无论如何复杂都可以通过设置固定支座将其分割成若干形状相对简单的独立管段，如直管段，L形管段，Z形管段等。热力管道的热伸长量通常按下式计算：Δx=α(t1-t2)L其中：Δx——管道的热伸长量，mm;α——钢管的线膨胀系数，mm/(m℃),t1——管内介质温度，℃，t2——管道安装时的温度,℃,L——管道计算长度，m。计算管道热伸长量，是为了确定补偿器的所需补偿量，从而选择所需的补偿器，所以对于管道的热伸长量应计算其最大值，即取冷态安装条件的最低温度和热态运行条件的最高温度之间的最大温差。7施工中应注意的问题正确的施工是良好设计的保证。因此，要求施工人员应掌握必要的波纹补偿器的常识，补偿器并非仅仅是一般的管路（设备）附件，是有其特殊规律的高技术产品，需要遵循规范要求进行施工和安装，在施工过程中应注意以下几处问题。○1施工时绝对不允许把波纹补偿器当全弹性元件，用于校正管道安装误差。这是的。○2施工时必须分清不同要求的管道支架，严格按图纸的要求进行施工。常见的施工错误是固定支架没有固定，结果造成整体管系失稳，管路变形位移集中在某个或某几个补偿器上，使其无法承受形变而补损坏（如前所说某厂高炉热风炉波纹补偿器的变形，就是由于固定支架没有固定好，使波纹补偿器变形达极限失效）。○3管道安装前，必须严格按图纸要求的标高和轴线安装好管托；补偿器安装前，必须确认管道已平稳地放置在管托上方可进行补偿器的安装。○4波纹补偿器出厂前，每组波纹管均用小拉杆进行固定，目的是防止波纹管在运输途中和施工安装过程中受损，因此，其间的任何时候均不允许松动其紧固螺母，更不允许取消其拉杆。当施工安装完毕，应进行管路系统的初步验收。确认无误后，在试车前方可按各补偿器的要求，松开其紧固螺母。如：通用轴向型补偿器的小拉杆螺母有限制补偿器位移量的作用，如设计要求管路工作收缩最大位移量为20mm，伸长最大位移量为50mm，则需将小拉杆的外螺母松开20mm，内螺母松开50mm。8验收波纹补偿器安装，应符合下列要求：○1应进行外观尺寸检查，管口周长的允许偏差：公称直径大于１０００ｍｍ的为±６ｍｍ；小于或等于１０００ｍｍ的±４ｍｍ波顶直径偏差为±５；○2应进行预拉伸或预压缩试验，不得有变形不均现象；○3内套有焊缝的一端，在水平管道上应迎介质流向安装，在垂直管道上应将焊缝置于上部；○4波纹补偿器应与管道保持同轴，不得偏斜；○5安装时，应在波纹补偿器两端加设临时支撑装置，在管道安装固定后，再拆除临时设施，并检查是否有不均匀沉降。靠近波纹补偿器的两个管道支架，应设导向装置。9结束语波纹补偿器的寿命是用其疲劳次数N来表示的，显然应该与其疲劳强度有很大关系。压力的变化，对波纹补偿器的使用寿命有影响，但通常由于受工艺条件的限制，设计和安装对其可控性不强。因此，波纹补偿器的安装需施工单位严格按设计图纸和补偿器的特性要求进行施工，从安装技术这个可控因素上进行有效控制。江苏镇江安装集团有限公司赵永平2012年9月