補(bǔ)償器在煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)中的運(yùn)用探討

河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院

摘要：火力發(fā)電產(chǎn)中的煙風(fēng)煤粉管道是煙道、風(fēng)道、原煤、制粉、送粉及其他有關(guān)管道的總稱，其中煙道和熱風(fēng)道因內(nèi)部介質(zhì)的溫度較高，易產(chǎn)生一定的熱伸長(zhǎng)量，即我們通常所稱的熱膨脹量。當(dāng)管道自身的補(bǔ)償能力不夠時(shí)，熱膨脹就會(huì)使管道產(chǎn)生強(qiáng)大的熱應(yīng)力，從而影響整個(gè)管系及設(shè)備的安全運(yùn)行。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可以在管道上設(shè)置補(bǔ)償器，以補(bǔ)償管道的熱伸長(zhǎng)，從而減小管壁的應(yīng)力和作用在閥件或支架結(jié)構(gòu)上的作用力。本文通過(guò)分析補(bǔ)償器在煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，對(duì)其作用及適用范圍進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：補(bǔ)償器；煙風(fēng)煤粉管道；熱膨脹；運(yùn)用

煙風(fēng)煤粉管道升溫時(shí)，由于熱伸長(zhǎng)或溫度應(yīng)力，對(duì)管道兩端的固定支架產(chǎn)生嚴(yán)重的推力或是對(duì)與其連接的設(shè)備管口產(chǎn)生一定的附加應(yīng)力，導(dǎo)致管道容易發(fā)生變形或是破壞。為消除或減小管道熱膨脹帶來(lái)的不利因素，除了要求配管設(shè)計(jì)布置合理外，還應(yīng)采取安裝補(bǔ)償器的方式對(duì)管系的膨脹量進(jìn)行吸收。本文主要闡述了補(bǔ)償器在火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)中的膨脹補(bǔ)償作用和防振動(dòng)作用；介紹了不同形式補(bǔ)償器的應(yīng)用場(chǎng)合、安裝方式和選型要點(diǎn)。

一、管段熱膨脹量

（一）補(bǔ)償器的作用

補(bǔ)償器有多種類型，而波紋補(bǔ)償器的應(yīng)用最為普遍。不論是波紋補(bǔ)償器、旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器，還是套筒補(bǔ)償器、方形自然補(bǔ)償器，它們都是為了保障管道的安全運(yùn)行而設(shè)置，一般來(lái)說(shuō)有以下四個(gè)主要作用：一，補(bǔ)償器對(duì)管道軸向、橫向、角向熱變形進(jìn)行補(bǔ)償吸收。二，補(bǔ)償器具有較好的伸縮量，降低閥門管道的安裝和拆卸工作的難度，非常方便。三，補(bǔ)償器可以吸收設(shè)備振動(dòng)，使設(shè)備振動(dòng)對(duì)管道的影響得以減少。四，補(bǔ)償器可以吸收地震或地陷對(duì)管道的變形量。另外值得一提的是方形自然補(bǔ)償器，它有兩個(gè)重要作用：一，管道從基礎(chǔ)梁或地下室墻穿過(guò)時(shí)，安裝方形補(bǔ)償器可以大大減輕甚至避免基礎(chǔ)的沉降對(duì)管道產(chǎn)生的壓力。二，如果熱力管道過(guò)長(zhǎng)，安裝方形補(bǔ)償器可以大大減小熱脹冷縮對(duì)管道產(chǎn)生的拉伸[1]。

（二）管段熱膨脹量的計(jì)算方法

管道安裝通常是在常溫下進(jìn)行的，當(dāng)管道內(nèi)供熱介質(zhì)及周圍環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，將引起管道的熱脹冷縮。為使管道在熱狀態(tài)下穩(wěn)定和安全，管道受熱時(shí)的熱伸長(zhǎng)量需要給予格外關(guān)注和準(zhǔn)確計(jì)算。設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行的時(shí)候，管道內(nèi)的高溫介質(zhì)，讓管段遇熱膨脹，此熱膨脹值可以按照下面這個(gè)公式來(lái)計(jì)算：Δl=LaΔt公式中，Δl代表管段的熱膨脹值，單位為mm。L 代表管段的投影長(zhǎng)度，單位為m。a 代表鋼材的線膨脹系數(shù)，單位為mm/（m·℃）mm。Δt 代表工作溫度和安裝溫度之間的差值，單位為℃。

（三）應(yīng)用實(shí)例

比如在某管道工程中，熱風(fēng)道的設(shè)計(jì)溫度是320℃，其安裝溫度是20℃，選用Q235A 風(fēng)道材質(zhì)，管道兩端的固定支架間距是16 米，由這些數(shù)值可以計(jì)算出該管段生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)所能產(chǎn)生的熱膨脹量值。首先，我們可以查看常用國(guó)產(chǎn)鋼材的平均線膨脹系數(shù)數(shù)據(jù)表，可以查出風(fēng)道材質(zhì)Q235A 的鋼材線膨脹系數(shù)是0.013mm/（m·℃）。然后按照上述公式，我們可以計(jì)算得出熱膨脹量值為Δl=LaΔt=10×0.013×（300-20）=39mm根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，我們可以得知在這個(gè)工作狀態(tài)下，我們需選擇補(bǔ)償量大于39mm 的通用補(bǔ)償器，就可以將此管段的熱膨脹量完全吸收。

二、補(bǔ)償器的應(yīng)用

（一）補(bǔ)償量的計(jì)算

補(bǔ)償器可以單獨(dú)充當(dāng)軸向補(bǔ)償或是橫向補(bǔ)償，但是單獨(dú)用作角補(bǔ)償時(shí)，效果并不是很好。但是，在實(shí)踐工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，補(bǔ)償器在應(yīng)用中通常會(huì)同時(shí)充當(dāng)角向補(bǔ)償?shù)淖饔?，也就是說(shuō)在軸向補(bǔ)償、橫向補(bǔ)償、角向補(bǔ)償這三種補(bǔ)償中，補(bǔ)償器同時(shí)吸收任意兩種補(bǔ)償量，偶爾甚至?xí)杖咳N補(bǔ)償量。在這類應(yīng)用場(chǎng)合中，補(bǔ)償器的軸向補(bǔ)償量、橫向補(bǔ)償量和角向補(bǔ)償量的選取，應(yīng)當(dāng)滿足下面這個(gè)關(guān)系式：X1+XY1/Y+Xa1/a≤X這個(gè)關(guān)系式中，X 代表單獨(dú)進(jìn)行軸向補(bǔ)償時(shí)的補(bǔ)償量，Y 代表單獨(dú)進(jìn)行橫向補(bǔ)償時(shí)的補(bǔ)償量，a 代表單獨(dú)進(jìn)行角向補(bǔ)償時(shí)的補(bǔ)償量。X1 代表同時(shí)存在的軸向補(bǔ)償量的實(shí)際值，Y1 代表同時(shí)存在的豎向補(bǔ)償量的實(shí)際值，a1 代表同時(shí)存在的角向補(bǔ)償量的實(shí)際值[2]。

（二）補(bǔ)償量的吸收

當(dāng)角向變化不大時(shí)，可應(yīng)用上述計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算，但是當(dāng)角向變化比較大時(shí)，就需要在安裝的時(shí)候，通過(guò)對(duì)補(bǔ)償器進(jìn)行預(yù)壓縮并偏裝，進(jìn)行補(bǔ)償量的吸收。某工程鍋爐一次熱風(fēng)道接口，水平方向，隨著爐膛溫度的上升而膨脹，膨脹量的變化值為垂直方向向下140mm，其他2 個(gè)方向的位移為10mm，而一次熱風(fēng)總管中心線與熱風(fēng)道進(jìn)口法蘭面僅相距2600mm。對(duì)補(bǔ)償器樣本進(jìn)行查取，能夠水平安裝同時(shí)滿足垂直方向140mm 的補(bǔ)償器長(zhǎng)度太長(zhǎng)了，不能滿足此工程的安裝要求。因此，選擇對(duì)補(bǔ)償器先進(jìn)行預(yù)壓縮并偏裝，對(duì)其膨脹量進(jìn)行吸收。一次熱風(fēng)管道與鍋爐熱風(fēng)道進(jìn)口連接的冷態(tài)安裝，如圖1 所示。在冷態(tài)安裝的時(shí)候，相對(duì)于熱風(fēng)管道中心線，補(bǔ)償器中心線向上偏裝75mm，當(dāng)鍋爐正常生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，熱風(fēng)道進(jìn)口管段向下膨脹，補(bǔ)償器將隨其運(yùn)動(dòng)。熱態(tài)運(yùn)行最終形態(tài)如圖2所示。

對(duì)補(bǔ)償器進(jìn)行預(yù)壓縮并偏裝處理后，使得原本需要大于140mm 的橫向補(bǔ)償量

圖1 一次熱風(fēng)管道與鍋爐熱風(fēng)道進(jìn)口連接的冷態(tài)安裝

圖2 一次熱風(fēng)管道與鍋爐熱風(fēng)道進(jìn)口連接的熱態(tài)運(yùn)行最終形態(tài)

大大縮減并被分解，只要補(bǔ)償器橫向補(bǔ)償量可以達(dá)到75mm，就足以滿足此安裝要求，一來(lái)解決了對(duì)安裝空間的約束和限制，二來(lái)也節(jié)省了補(bǔ)償器的投資成本。

三、補(bǔ)償器的選擇技巧

（一）非金屬補(bǔ)償器和金屬補(bǔ)償器的選擇

非金屬補(bǔ)償器采用耐高溫材質(zhì)，金屬補(bǔ)償器則采用耐磨材質(zhì)。煙道和熱風(fēng)道內(nèi)部的介質(zhì)溫度相對(duì)比較高，補(bǔ)償器有被燙穿的危險(xiǎn)，為了預(yù)防這個(gè)問(wèn)題，通常都選擇使用耐高溫材質(zhì)的非金屬補(bǔ)償器。對(duì)熱風(fēng)送粉管道而言，此類管道里有一定量煤粉顆粒的存在，因此設(shè)置補(bǔ)償器時(shí)不但需要考慮滿足上述的熱補(bǔ)償要求，還應(yīng)當(dāng)考慮防磨能力，盡量延長(zhǎng)其使用壽命，此時(shí)則適宜選擇使用耐磨材質(zhì)的金屬補(bǔ)償器[3]。

（二）隔離振動(dòng)的設(shè)備接口

補(bǔ)償器一來(lái)可以有效地吸收管道的膨脹量，二來(lái)可以有效地吸收管道振動(dòng)，因此可以用在需要隔離振動(dòng)的設(shè)備接口上。比如與風(fēng)機(jī)進(jìn)出口連接的管道，其振動(dòng)比較頻繁也比較大，因此可以在風(fēng)機(jī)進(jìn)出口，安裝一個(gè)補(bǔ)償器，然后接風(fēng)道接管，幫助吸收風(fēng)機(jī)因?yàn)樽陨磉\(yùn)行導(dǎo)致管道形成的振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)減少整個(gè)管系的振動(dòng)，另外，也能夠有效防止管道上的荷載傳遞給設(shè)施設(shè)備，實(shí)現(xiàn)保護(hù)設(shè)施設(shè)備的作用。

（三）選用技巧

補(bǔ)償器常用的是采用矩形截面，對(duì)于圓角波形，管道中單個(gè)膨脹節(jié)需承受二維方向位移。由2 個(gè)膨脹節(jié)組成的肘接管道，則可以承受三維方向位移。矩形圓角金屬波紋膨脹節(jié)有全高和半高型。雖然各方面的制約因素比較復(fù)雜，但是不論是哪種管系，都可以采用若干個(gè)固定支架，設(shè)置在不同的部位，使其分解成若干形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的單獨(dú)管段。這樣分別確定出來(lái)各管段的變形及補(bǔ)償量，完全可以等同于未處理之前的變形和補(bǔ)償量。補(bǔ)償器種類繁多，因此需要合理、正確地選型。在煙風(fēng)煤粉管道的總體設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)充分考慮到管道的走向以及支撐體系的良好設(shè)計(jì)，同時(shí)綜合考慮補(bǔ)償器的造型和配置，實(shí)現(xiàn)安全、合理、適用、經(jīng)濟(jì)的最佳組合。

四、結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代文明不斷前進(jìn)，科技在飛速發(fā)展，補(bǔ)償器的工藝也在不斷提高，其形式不斷增多，功能應(yīng)用面也在不斷的擴(kuò)展和提升，補(bǔ)償吸收管道軸向、橫向以及角向的冷熱變形。在煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)中，管道上設(shè)置補(bǔ)償器，以補(bǔ)償管道的熱伸長(zhǎng)，從而減小管壁的應(yīng)力和作用在閥件或支架結(jié)構(gòu)上的作用力，應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確使用補(bǔ)償器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和要求，合理選擇使用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償器安裝形式，幫助更好地實(shí)現(xiàn)管段熱膨脹的補(bǔ)償作用，更幫助減輕生產(chǎn)中煙風(fēng)煤粉管道的振動(dòng)，從而避免補(bǔ)償器被拉壞的現(xiàn)象發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]何磊，王紅振.不長(zhǎng)期在煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2013，7（12）：177-179.

[2]姜霞，劉波.淺談補(bǔ)償器在煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].化肥設(shè)計(jì)，2011，47（5）：21-23.

[3]宋心東，張勇.積灰荷載對(duì)煙道彈簧支架彈簧選型影響的分析[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2014，11（27）：187-189.