平衡式波纹管补偿器的安装结构及工作原理

平衡式波纹管补偿器是利用流体力学的原理在一般波纹管补偿器的基础上设计的一种新型的、国内外领先的管道补偿器。其结构的设计为外套管的内截面积等于连接管内截面积。使管道内介质对固定支架没有推力。从而使补偿器的应用进入了一个新的时期和高度。一、前言在热力管网敷设中，补偿器是保证管道安全运行的重要部件。目前在国内采用的补偿器中，波纹管补偿器己占有举足轻重的地位，而且很有发展前景。但是由于波纹管本身是一个弹性体，如果管内介质压力过高，而且对波纹管保护又不好，很可能将其拉坏，在热力管网中，如果采用波纹管补偿器对其补偿，在管网转角、阀门或者盲板处介质作用力必定要作用到固定支架上，作用力的大小等于波纹管的有效截面积S乘以管内工作介质压力p,即SP。由于该力的作用必定要加强固定支架的强度和刚度，提高了固定支架的造价，并影响管网的运行安全性，特别在高压力大口径的情况下，这个作用力是很大的，它的大小与管网工作介质的压力成正比，与管径的平方成正比。以DN600管径为例，如果工作介质的压力为2.5MPa，则这个作用力为:F=SP式中F--工作介质对固定支架的作用力，NP--管内工作介质压力，PaS--波纹管补偿器的有效截面积，对DN600波纹管补偿器，S=0.3538m2F=SP=0.3538X2.5X1O6=884500这是一个很大的力，特别在高架管线中，不仅给设计管道支架带来很大困难，也给施工带来诸多不便，并且还提高了工程造价。平衡式波纹管补偿器是在轴向型波纹管补偿器的基础上设计的一种新型管道补偿装置，该补偿器利用流体力学平衡原理，可消除管道的内压力对固定支架的作用力，该补偿器中自带导向，它简化了管网设计，给管网设计和施工带来很大方便，并且既能降低土建工程造价，又能使设备成本降低，还提高了管网运行安全性，因此说平衡式波纹管补偿器是一种理想的热力管道补偿装置，具有很高的社会效益和经济效益。二、平衡式波纹管补偿器的工作原理平衡式波纹管补偿器主要由左、右外接管、外套管及工作波纹管和密封波纹管组成:见图1，该补偿器的具体结构如下:工作波纹管1的两端分别和左外接管3、右外接管4焊接，左外接管3、右外接管4分别焊有盲板8、9。在工作波纹管外部设有导流套7，在左、右外接管3、4外部设有套管5，套管5左端与左外接管3焊接，套管5右端与右外接管4可相对移动。右外接管4上焊有档兰10，密封波纹管2的两端分别与档兰10、套管5右端焊接，在左、右外接管3、4上分别开有介质进出孔11.12.连通管6穿过左外接管、盲板8并与左外接管3、盲板8相焊接。连通管6保证两盲板8、9之间的压力与外界大气压力相同。在套管5上部设有放气口，下部设有排水口。管道在正常运行时，右外接管4右端的管道设有固定立架，并在固定支架的右面有转角、阀门或盲板等，这样由于管道内介质压力对转角、阀门或盲板处的作用，从而对固定支架产生向右的推力，推力的大小为管道截面积πr23与管内介质压力p的乘积(即πr23P）。在右外接管4的左端焊有盲板9，介质对盲板9有一个向左的推力，其推力大小也为πr23P，它与作用于转角、阀门或盲板处的力大小相等方向相反，互相抵消，从而形成介质内压对固定支架无作用力。图2为工作波纹管、密封波纹管及接管的有效面积参考示意图。下面就图中r1、r2的尺寸来说明平衡式波纹管补偿器对固定支架的推力。当r1=r2(r2≥r3+δ)，δ为右外接管壁厚，此时因r1=r2，作用在固定支架上会存在两个大小相等方向相反的力，其值为πr12P=πr22P。在固定支架上介质作用力为F=πr12P－πr22P=0故此种结构形式的补偿器称为平衡式补偿器。当πr12P=πr32P+Kx时，其中K为波纹管的刚度，x为波纹管补偿量，Kx为波纹管弹性力。此时作用在固定支架上的介质内压推力为F=πr12P－πr32P=Kx此作用力的大小正好为波纹管的弹性力。供热管道在正常运行时，因管道受热，波纹管被压缩产生对固定支架一个推力，其推力大小为Kx,但由于波纹管受压产生的弹性力与介质内压产生的推力大小相等方向相反，此时固定支架上无任何推力。工作时，管道中介质通过左外接管3，经孔11流入套管5中，再经孔12流入右外接管4中，当管道受温度影响发生位移时，右外接管4与套管5可相对移动。工作波纹管和密封波纹管2可起到密封作用。工作波纹管，内空间室由于右外接管4相对移动引起的压力变化可通过连通管6进行调节。三、平衡式波纹管补偿器的特点1.减小对固定支架的推力平衡式波纹管补偿器能使固定支架受到的推力减小，使固定支架结构尺寸都可做到最小，能大量地降低土建工程费用。2.无导向支架目前工程设计中，一般在波纹管补偿器的一端设置固定支架，另一端设置导向支架。导向支架的设置使得管网支架增多，因而工程费用很高。平衡式波纹管补偿器从自身结构上解决了管道的导向问题，从而达到设计管网时不必在其另一侧再设导向支架，既简化了管网设计又便于补偿器的施工安装。3.提高了波纹管的耐压性平衡式波纹管补偿器从结构设计上使之成为外压型，从而提高了波纹管的承压能力，延长了波纹管使用寿命。4.解决了波纹管凹处积水的问题通常管网中的波纹管补偿器代管网停止运行时，往往在波纹管的凹处积水，时间一久，波纹管便受到腐蚀，降低了波纹管使用寿命。平衡式波纹管补偿器的工作波纹管内部不存在工作介质，所以不可能有积水问题。另外，由于套管的存在，当管网停止运行时，管内剩余介质只能沉积在套管中，又因套管下部设有放水口，打开此口介质就会排出。5.防止保温材料对波纹管的度蚀在供热管网中，为了减少管网散热损失，必须对波纹管补偿器进行保温。如果将保温材料直接包在波纹管外部，势必造成波纹管的腐蚀，缩短了波纹管的使用寿命。而且由于波纹管的轴向运动，会使保温层松动破坏。平衡式波纹管补偿器的保温材料直接包在套管外部，与波纹管不接触，从而避免了由于保温材料而造成的对波纹管的腐蚀，提高了波纹管的使用寿命。6.设备成本低目前国内一般己有的波纹管补偿器，为了减小对固定支架的推力，至少由三段波纹管组成，使得设备价格较高，影响了推广使用，而平衡式波纹管补偿器只有两段波纹管组成即可解决，从而降低了设备成本，有利于推广使用。四、平衡式波纹管补偿器的安装及计算1.管道热伸长量供热管道安装后，由于管内介质的加热作用会引起管道受热伸长。管道的热伸长量可按下式计算:△L=a(t1-t2)L式中△L--管道的热伸长量，mma--管道的线膨胀系数，mm/m℃，一般可取a=1.2Xl0-2，mm/m℃t1--管壁最高温度，可取介质的最高温度，℃t2--管道安装时的温度，℃L--计算管段的长度，m2.计算预拉量预拉量一般取计算管段热伸长量的一半。3.固定支架受到的推力计算设计热力管道固定支架时，必须首先考虑它的受力状况。固定支架所受的水平推力由下列两方面产生:(1)由于活动支架上的摩擦力而产生的水平推力Pm。(2)平衡式波纹管补偿器本身的弹性力产生的水平推力Pm。管道与活动支架间的摩擦力Pm用下式计算:Pm=quK式中Pm--管道与活动支架间的摩擦力，Nu--活动支架上的摩擦系数，可取下列数值:钢与钢接触,u=0.3钢与混凝土接触，u=0.6q--该管段的单位长度计算重量，N/m.q主要包括管道自重、介质自重、保温材料及外保护壳重量。为了减少管道的摩擦阻力，工程上也常采用滚动支架，其摩擦力为Pm=LqK/R+Lqf·r式中K--滚动力臂，一般取K=0.05cmR--滚筒半径,cmr--滚筒的轴半径，cmf--滚筒轴和轴承的摩擦系数，取f=0.1平衡式波纹管补偿器本身的弹性力Ptm可由下式计算:Ptm=a(f1+f2)x式中f1--工作波纹管的轴向刚度，N/mmf2--密封波纹管的轴向刚度，N/mmx--工作波纹管的补偿量，mma--系数，波纹管预拉时，a=1/2;无预拉时，a=1为了减少补偿器在运行时对固定支架的轴向推力，在补偿器安装前应进行必要的预拉，预拉量△x按下式计算:△x=x[1/2-(ta-td)/(tg-td)]式中x--补偿器的补偿量，mmta--管道安装温度，℃td--管道最低温度，℃tg--管道运行时的最高温度，℃对于高温管道(tg＞ta)，预拉量为正，应将补偿器预拉伸;对于低温管道(tg＜ta)，预拉量为负，应将补偿器预压缩。热力管道属于前者。当ta=td时，△x=1/2x。所以一般资料介绍，预拉量可以取补偿量的一半，但是这一结论的前提是管道安装温度与最低温度近似相等。当ta＞td时，△x＜1/2x；当ta＜td时，△x＞1/2x。在分析管道轴向力的同时，还应注意到管道的横向推力，由于在安装管道时，管线的布置不可能绝对平直，因此受热后不仅轴回移动，还会造成径向位移。如果导向支架不能承受所加的横向载荷或导向滑板侧回形状不规则、表面粗糙等，其摩擦阻力随横向推力的增大而增大，所以在对平衡式波纹管补偿器进行设计时，对导向问题也进行了专门的设计，以保证其横向摩擦力最小，能最大限度地保证管道的安全运行。五、结束语综上所述，平衡式补偿器以先进的密封技术和新颖的减压方法，可实现长期可靠密封，并可将介质内压对固定支架的推力减小，降低了设备投资。该补偿器具有外型尺寸小、密封可靠、波纹管防腐、安装简单、节省管网支架投资，是一种理想的管道补偿装置，具有很大的推广使用价值。