常用補(bǔ)償器在熱力管道設(shè)計(jì)中的對(duì)比分析

杜文江

（蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730000）

0 引言

熱力管道在運(yùn)行狀態(tài)下溫度要比安裝狀態(tài)高，運(yùn)行狀態(tài)溫度的升高伴隨著管道的熱膨脹。目前，國內(nèi)熱力管道多使用鋼制無縫管，在管道膨脹時(shí)往往伴隨著較大的應(yīng)力，若對(duì)管道的熱膨脹處理不當(dāng)往往造成生產(chǎn)事故，造成生命和財(cái)產(chǎn)損失。

在相關(guān)研究中，董同武對(duì)管道的熱補(bǔ)償理論進(jìn)行了論述，對(duì)一些設(shè)計(jì)中應(yīng)重視的問題進(jìn)行了闡述，針對(duì)實(shí)際工程中出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析和說明[2]。陳鵬針對(duì)供熱管道及其補(bǔ)償器的相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和計(jì)算，并對(duì)長直管段的補(bǔ)償器產(chǎn)生異常位移的情況進(jìn)行了分析，對(duì)采取的措施進(jìn)行了簡單的論述，總結(jié)了供熱管道各個(gè)階段應(yīng)注意的問題[3]。

本文針對(duì)工程中使用的方形補(bǔ)償器和波紋補(bǔ)償器進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)兩種補(bǔ)償器在相同直管段、相同補(bǔ)償量下的管道應(yīng)力和對(duì)固定支架的推力進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比。

1 模型建立

本文為對(duì)比2 種補(bǔ)償器（波紋補(bǔ)償器和方形補(bǔ)償器），選取相同的管道模型。選取管徑為D219X6，管道長度50 m，工作介質(zhì)為水，管道設(shè)計(jì)壓力1.6 MPa，設(shè)計(jì)溫度150 ℃。管道模型兩端設(shè)置固定支架，其它位置設(shè)置滑動(dòng)支架，并假設(shè)管道為架空敷設(shè)。

圖1 方形補(bǔ)償器模型尺寸圖

圖2 波紋補(bǔ)償器模型尺寸圖

2 應(yīng)力計(jì)算

應(yīng)力計(jì)算的主要工作包括：a.在內(nèi)壓和外載的持續(xù)作用下計(jì)算管道承受的一次應(yīng)力；b.由熱脹冷縮產(chǎn)生的二次應(yīng)力。通過對(duì)以上應(yīng)力的計(jì)算判斷管道設(shè)計(jì)是否安全。

（1）一次應(yīng)力計(jì)算：

管道中由于壓力、重力和其它持續(xù)荷載所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力之和 σL不應(yīng)大于最高溫度下材料的許用應(yīng)力[σ ]h，計(jì)算公式如下[1]：

（2）二次應(yīng)力計(jì)算：

[σ ]c—位移循環(huán)內(nèi)管道在最低溫度下的許用應(yīng)力，MPa；

[σ ]h—位移循環(huán)內(nèi)管道在最高溫度下的許用應(yīng)力，MPa；

3 計(jì)算結(jié)果與分析

(1)方形補(bǔ)償器計(jì)算結(jié)果如下：點(diǎn)在50、68 節(jié)點(diǎn)處，應(yīng)力值為234209.6 kPa，比率為91.8%。

表1 方形補(bǔ)償器安裝工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表2 方形補(bǔ)償器純熱態(tài)工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表3 方形補(bǔ)償器運(yùn)行工況下支架受力計(jì)算結(jié)果

從表3 可以看出，管道支架最大受力點(diǎn)為10、110 點(diǎn)，即固定點(diǎn)。其它支點(diǎn)除受重力外，水平方向的推力為摩擦力引起，受力較小。

(2)波紋補(bǔ)償器計(jì)算結(jié)果如下：

表4 波紋補(bǔ)償器安裝工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

從表4 可以看出，波紋補(bǔ)償器模型一次應(yīng)力基本滿足要求。一次應(yīng)力最大點(diǎn)在30、100 節(jié)點(diǎn)處，應(yīng)力值為23411.9 kPa，比率為21.2%。波紋補(bǔ)償器模型純熱態(tài)工況下應(yīng)力計(jì)算值為零。

表5 波紋補(bǔ)償器運(yùn)行工況下支架受力計(jì)算結(jié)果

從表5 可以看出，管道支架最大受力點(diǎn)為10、120 點(diǎn)，即固定點(diǎn)。其它支點(diǎn)除受重力外，水平方向的推力為摩擦力引起，受力較小。

4 結(jié)論

通過對(duì)方形補(bǔ)償器和波紋補(bǔ)償器兩種模型的計(jì)算，對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）方形補(bǔ)償器模型較波紋補(bǔ)償器模型管道所受應(yīng)力較大，但兩種補(bǔ)償方式管道模型應(yīng)力均滿足材料的使用要求。

（2）兩種補(bǔ)償器形式在不考慮其它支架受力，只針對(duì)固定點(diǎn)，其受力波紋補(bǔ)償器明顯大于方形補(bǔ)償器。波紋補(bǔ)償器模型固定點(diǎn)的受力為97290 N，對(duì)于實(shí)際設(shè)計(jì)中支架的設(shè)計(jì)帶來一定的難度。