热力管道的热膨胀及其补偿

热力管道的热膨胀及其补偿摘要：热力管道输送的介质温度很高，投入运行后，将引起管道的热膨胀，使管壁内或某些焊缝上产生巨大的应力，如果此应力超过了管材或焊缝的强度极限，就会使管道造成破坏。本文就热力管道的热膨胀、热应力、轴向推力的理论分析计算，针对各种补偿器的选用原则和安装要点进行了简述。关键词：热力管道热膨胀热应力热补偿补偿器预拉伸1管道的热膨胀及热应力计算1.1管道的热膨胀计算管段的热膨胀量按下式计算：ΔL=ɑ.L.Δt=2.L.(t2-t1)式中：ΔL——管段的热膨胀量（mm）；ɑ——管材的线膨胀系数，即温度每升高1℃每米管子的膨胀量（mm/m.℃）；L——管段长度（m）；Δt——计算温差，即管道受热时所升高的温度，它等于管道输送介质的最高工作温度t2与管道安装时的环境温度t1之差（℃）。对于一般碳钢管ɑ=12×10-4mm/m.℃，则ΔL=0.012.L.Δt。在施工中，为了迅速估算碳钢管道的热膨胀量，可按每米管道在升温100℃时，其膨胀量为1.2mm计算。1.2管道的热应力计算管道受热时所产生的应力的大小可按下式计算：σ=E.ε=E.=■E.■=E.ɑ.Δt式中：σ——管道受热时所产生的应力（kg/cm2）；E——管材的弹性模量（kg/cm2）；ε——管道的相对变形量，它等于管道的热膨胀量ΔL（mm）与管道原长L（m）之比，即ε=■常用钢材的弹性模量E=2×10-6（kg/cm2），一般碳钢管的线膨胀系数ɑ=12×10-6（mm/m.℃），则热应力的计算公式可简化为σ=2×106×12×10-6×Δt=24.Δt（kg/cm2）。利用此式，可以很容易地计算出钢管道热膨胀受到限制时产生的热应力。由此可见，管道受热时所产生的应力的大小，与管子直径及管壁厚度无关。它是由管子材料的弹性模量、线膨胀系数和管道受热时所升高的温度来决定的。在这三个因素中，温差是影响热应力的最主要因素。1.3管道的轴向推力计算管道的轴向推力就是管道在断面上受热时所受到的纵向总压力，其计算公式为：P=σ.F。式中：P——纵向压力（kg）；σ——热应力（kg/cm2）；F——管子横断面积（cm2）。此力作用在管道两端的支架上，对于两端固定的直管，温度变化引起的热应力，仅与管道材质、管壁截面积和温度变化有关，而与管路的长度无关。这个应力往往是很大的，如不采取补偿措施，容易造成破坏性。对于弯曲的热力管道情况就不同了，由于管道可以产生一定范围内的自然变形，从而大大减少了应力，避免管道遭到破坏。1.4[例]有一根ф219×8的碳素钢无缝钢管，长度为20米，投入运行后的温度为425℃，而安装时的环境温度为25℃，那么该管段的热膨胀量是多少？管段受热时产生的热应力是多少？如果将管道两端固定，因膨胀而产生的轴向推力是多少？已知2=0.012mm/m.℃，E=2×106kg/cm2）。[解]管道投入运行后与安装时温度差Δt=425-25=400℃。故热膨胀量ΔL=ɑ.L.Δt=0.012×20×400=96(mm)。热应力σ=24.Δt=24×400=9600(kg/cm2)。轴向推力P=σ.F=9600×■=600192(kg)=600.2（t）上述管段受热时产生的应力达9600kg/cm2，已超过了碳素钢的极限强度，由此产生600.2吨的轴向推力。如果将管道两端固定，则该管段将被受热时产生的热应力破坏。2管道的热补偿种类及选用原则管道的热补偿，就是合理地确定固定支架的位置，使管道在一定范围内，进行有控制的伸缩，以便通过补偿器和管道本身的弯曲部分进行长度补偿。作为能减释热应力的补偿器一般可分为自然补偿和人工补偿两大类。布置热力管道的固定支架和补偿器时，应首先考虑利用管道的弯曲部分进行自然补偿。2.1自然补偿器选用原则2.1.1管道布置时，应尽量利用所用管路原有弯曲的自然补偿，当自然补偿不能满足要求时，才考虑装设各种类型的补偿器。2.1.2当弯管转角小于150°时，可用自然补偿；大于150°时不能用作自然补偿。2.1.3自然补偿器的管道臂长不应超过20～25m，弯曲应力σ不应超过80Mpa。2.2方型补偿器的选用原则2.2.1热力管网一般采用方型补偿器，只有在方型补偿器不便使用时，才选用其他类型补偿器。2.2.2方型补偿器的自由臂（导向支架至补偿器外臂的距离），一般为40倍公称直径的长度。2.2.3方型补偿器须用优质无缝钢管制作。DN150mm时用冷弯法制作；DN≥150mm时用热弯法制作。弯头弯曲半径通常为3DN～4DN。2.3波形补偿器的选用原则2.3.1波形补偿器因其强度较弱，补偿能力小，轴向推力大，适用于直径DN150mm及压力的PN≤0.7MPa管道。2.3.2波形补偿器用钢板制作，钢板厚度一般采用3～4mm。2.3.3波形补偿器的波节以3～4个为宜，每个波节的补偿能力一般为20mm。2.4填料式补偿器的选用原则2.4.1填料式补偿器一般用于直径DN100mm，工作压力PN≤1.3MPa（铸铁制）及PN≤1.6Mpa（钢制）的管道上。2.4.2由于填料密封性能不可靠，一定时期必须更换填料，因此不宜用于不通行地沟内敷设的管道上。2.4.3钢制填料式补偿器有单向和双向两种。一个双向补偿器的补偿能力，相当于两个单向补偿器的补偿能力，可用于工作压力PN≯1.6MPa，安装方型补偿器有困难的热力管道上。2.5球形伸缩器的选用原则2.5.1球形伸缩器是利用球形管的随机弯转来解决管道的热补偿问题，对于三向位移的蒸汽和热水管道最宜采用。2.5.2球形伸缩器可以安装于任何位置，工作介质可以由任意一端出入。其缺点是存在侧向位移、易漏，要求加强维修。2.5.3安装前须将两端封堵，存放于干燥通风的室内，长期保存时，应经常检查，防止锈蚀。3补偿器的安装要点3.1方型补偿器的安装要点3.1.1方型补偿器用弯头拼接时，水平臂中间处不准有焊缝，如无法避免焊缝，则应尽量靠近弯头两侧，由于两根垂直臂中部弯曲应力最小，因此拼接焊缝最好设置在垂直臂中部。3.1.2补偿器安装前应进行预拉伸（压缩），预拉伸（压缩）量为补偿值的一半。预拉伸可用千斤顶撑开或用拉管器拉开。预拉伸（压缩）量允许偏差应小于±10mm。3.1.3补偿器应在两个固定支架之间的管道安装完毕后进行。冷拉焊口应选在距补偿器弯曲起点2～2.5m处，冷拉前，固定支架应牢固固定，阀件的螺栓应全部拧紧。3.1.4补偿器水平安装时，应与管道保持同一坡度，垂直臂应呈水平安装，数根管道平行敷设时，补偿器一般布置在同一位置。3.1.5补偿器竖向安装时，如输送介质为液体，应在补偿器最高处设放气阀；如输送介质为气体，应在补偿器最低处安装排水装置。3.1.6补偿器两侧的第一个支架，宜设在距补偿器弯头起弯点0.5～1.0m处，支架为滑动支架，不得设置导向支架或固定支架。3.1.7邻近补偿器的支架，其滑托应向管道热膨胀方向相反的一侧移动，移动量等于固定支架到该支架处的热膨胀量。3.2波形补偿器的安装要点3.2.1波形补偿器安装时，应根据补偿零点温度定位，补偿零点温度就是在管道设计时考虑到最高温度与最低温度的中点。在环境温度等于补偿零点温度时安装，补偿器可不进行预拉或预压。如果安装时环境温度高于补偿零点温度，应预先压缩；反之应预先拉伸。拉伸或压缩的数值见附表《安装波形补偿器的拉伸或压缩量》。3.2.2波形补偿器的预拉或预压，应在平地上进行，作用力应分2~3次逐渐增加，尽量保证各波节的圆周面受力均匀。拉伸或压缩量的偏差应小于5mm，当拉伸或压缩达到要求数值时，应立即进行固定。3.2.3补偿器安装时应注意方向性，内套管有焊缝的一端在水平管上应迎介质流向安装，在垂直管上应置于上部，以防凝结水大量流入波节内。如管内有凝结水产生时，应在每个波节下方安装放水阀。3.2.4吊装时，不得将绳索绑在波节上，也不允许将支撑件焊在波节上。3.2.5补偿器应严格按照管道中心线安装，不得偏斜。3.3填料式补偿器的安装要点3.3.1补偿器应严格按照管道中心线安装，不得偏斜。3.3.2在补偿器的两侧，至少各有一个导向支座，保证运行时自由伸缩，不偏离中心。3.3.3按设计规定的安装长度并应考虑气温变化，留有剩余的收缩量，剩余收缩量可按下式计算。S=S0■式中：S——插管与外壳挡圈的安装剩余收缩量（mm）；S0——补偿器的最大行程（mm）；t0——室外最低设计温度（℃）；t1——补偿器安装时的气温（℃）；t2——介质的最高设计温度（℃）；收缩剩余量的允许偏差为±5mm。3.3.4插管应安装在介质流入端。3.3.5补偿器的摩擦部位应涂上机油，非摩擦部位应涂上防锈漆。填料石棉绳应涂石墨粉，并逐圈装入，逐圈压紧，各圈接口应相互错开。4方形补偿器的预拉伸方法安装方形补偿器时，应预拉补偿长度的一半，即ΔL/2。如果不加拉伸就进行安装，在管网投入运行后，可能产生很大的应力，甚至造成事故。方形补偿器的预拉伸按下述方法进行。假设管段的热膨胀长度ΔL=100mm，则预留安装补偿器的空位应为补偿器总长度加ΔL/2=50mm。然后把补偿器的两臂强制向外拉伸50mm，即恰好与预留空位尺寸相等，此时即可焊接管口，也可以将未撑开的补偿器的一端先与管道焊接固定，此时另一侧则有50mm间隙，然后再强制拉伸并与管道焊接固定。经过上述拉伸后，补偿器内部产生了内应力，力图把两侧的管道拉过来。管网投入运行，温度逐渐升高后，由于管道热膨胀正好顺应了补偿器的收缩力，于是热膨胀长度达到50mm时，补偿器也正好收缩到原来的尺寸，这时补偿器的内应力消除。当管道热膨胀时，补偿器开始被压缩，于是又产生反抗压缩的内应力，力图把两侧的管道推回去。当管道达到规定温度时，热膨胀长度也就达到了预定的伸缩量，即ΔL=100mm。但这时补偿器只被压缩了ΔL/2=50mm，内应力又达到了拉伸时的数值，但力的方向却与原来相反。5附表《波形补偿器的拉伸量和压缩量》注：ΔL=Δl.n（mm）。ΔL为波形补偿器的全部补偿能力；Δl为一个波节的补偿能力（mm）；n为波节数。Δl由设计给定，一般为20mm。