對旋轉補償器在供熱管道設計中的應用探析

劉亞娟

摘 要：供熱管道是保證居民在寒冷季節(jié)正常生產生活的基礎民生設施，尤其是城市的集中供熱管道已經成為當前我國許多大城市最重要的基礎設施之一。文章對供熱管道設計中旋轉補償器的工作原理和特征進行了詳細的分析和討論，并根據(jù)實際工程實例闡述旋轉補償器在供熱管道設計中的具體應用和作用，為供熱管道設計尤其是城市供熱管道設計提供建議和幫助。

關鍵詞：旋轉補償器；供熱管道；管道設計

引言

由于當前百姓對供熱的需求加大，尤其是冬季對供熱的需求更是增加，各省市和地區(qū)逐漸在城鎮(zhèn)中普及了集中供熱，甚至有些南方省市也在籌劃冬季集中供熱的方案。補償器是供熱管道中的重要設備，主要作用是在供熱管道升溫的情況下，防治因熱伸長或者溫度應力而導致的供熱管道出現(xiàn)變形或破壞，在供熱管道上安裝補償器就可以補償管道的熱伸長，目的是降低管壁的作用及應力引起的閥件或支架結構上的作用力，在熱力管網中的應用前景廣泛。

1 旋轉補償器的工作原理和基本結構

旋轉補償器的工作原理是首先安裝成對的旋轉筒補償器，通過旋轉筒和器臂的旋轉來形成一定的力偶，從而產生一對方向相反但大小相等的力，力臂圍繞筒軸中心旋轉，從而吸收力偶兩側的直管段產生的熱膨脹量，實現(xiàn)吸收供熱管道熱位移的目的。旋轉補償器的基本結構包括密封壓蓋、密封座、大小頭、旋轉筒、減磨定心軸承和密封材料等部件。在供熱管道中需要設置成對的旋轉補償器，這樣可以產生相對的能夠吸收管道內熱位移的力，降低管道應力。詳細結構如圖1所示。

圖1

2 旋轉補償器的特點

2.1 安全性能好

旋轉補償器主要是在結構設計上采用了雙密封的構造，即，端密封和環(huán)密封兩種密封構造，使得旋轉補償器的密封性能非常好，其安全性能較高。

2.2 設計簡便

在供熱管道設計過程中如果采用波紋補償器則要遵守嚴格的標準和原則，設計起來比較麻煩和費時。但是，旋轉補償器則由于型式較多則能夠實現(xiàn)按供熱管道的實際情況來設置適合的補償器，設計起來非常簡便。

2.3 使用壽命長

旋轉補償器的使用壽命可達二十年以上。

2.4 補償量較大

通常波紋補償器的補償量在300-400mm之間，而旋轉補償器的最大補償量可以達到1800mm。實際應用中，若管線>DN200，則可以達到單邊補償量130-200m；若管線≤DN200，單邊補償量能達到100-300m。所以，旋轉補償器在長距離蒸汽輸送管線中的補償作用較好，補償量較大。

2.5 安裝方法與型式多樣

旋轉補償器的最大優(yōu)點是它可以根據(jù)實際的管網地形和管線走向，選取合適的旋轉補償器型式，且安裝也比較簡便，并不需要預緊和冷拉等工藝，只需要簡單的對焊就能夠實現(xiàn)對蒸汽管道的補償。

2.6 投資成本低且經濟效益高

旋轉補償器的投資成本低體現(xiàn)在其對土建投資的降低作用。因其補償距離長所以使用數(shù)量少，對土建的固定墩產生的推力較小，所以固定墩的數(shù)量設置可以少些，并且固定墩的規(guī)格小，綜合來說，土建投資就會大大減少。使用旋轉補償器的供熱網工程總投資要比其他類型的補償器工程投資減少20%-40%左右，投資節(jié)約能力較好。

3 旋轉補償器型式和布置原則

3.1 旋轉補償器的型式

旋轉補償器的型式有兩種：直線型和錯位型。其中，直線型又分為三種主要類型：上翻式、高差式和倒掛式，且三種型式都是根據(jù)同一直線為準則的；錯位式旋轉補償器則有五種類型：直線型上翻錯位式、直線型下翻錯位式、直角型錯位式、直角型高差錯位式和直線型高差錯位式。這些是實際供熱管道中常見的旋轉補償器型式。

3.2 旋轉補償器的布置

供熱管道設計中對旋轉補償器的布置有嚴格的規(guī)范和要求。具體布置形式有Ω型和II型。圖2為II型的布置示意圖。補償點在兩個固定支架中心處時，兩側被補償管道隨管道內溫度升高而沿著O點旋轉θ角，吸收熱伸長。但是，若補償點并不在兩個固定支架的中心處時，在供熱管道伸長的情況下，旋轉中心點O會逐漸偏向比較短的一側的被補償管道方向。由于供熱管道的熱伸長將管道的首末兩點都保持在同一直線上，而旋轉補償器則是以點O為中心出現(xiàn)弧線的行程。因此，II型旋轉補償器隨著供熱管道的熱伸長，使被補償管道出現(xiàn)橫向移動，且橫向移動在補償量達1/2△L時達到最大值y。

圖2

4 實際供熱管道中旋轉補償器的應用

4.1 預偏轉量和旋轉角度

旋轉補償器的補償量是非常大的，能夠達到1800mm，這種高效率的補償能力可以明顯提高旋轉補償器在管道中的穩(wěn)定度，為達到這種目的就必須對旋轉補償器實施預偏裝，且方向要與熱膨脹的方向相反；旋轉補償器的旋轉角度直接關系到密封材料的壽命和固定支架的推力作用。預偏裝量X及其旋轉角度θ的計算公式為：X=△/2=S*a*（T2-T1）；θ=2*arcsin（△/L）。公式中的△為熱膨脹量，S為旋轉補償器與固定點之間的距離，a是線脹系數(shù)，T1是安裝的溫度，T2是設計的溫度，L是旋轉臂長度。根據(jù)此公式計算出X=159mm、θ=6.27°。

4.2 固定點的推力

旋轉補償器的固定支架的推力是比較小的，非常適合在供熱管道中使用。旋轉補償器的固定點的推力一共有三個，即，管道在供熱過程中受熱脹冷縮原理的影響而出現(xiàn)的受限制的熱脹力（管道自重在熱伸長時對固定點產生的摩擦反力Fm）、旋轉過程中由于內部壓力而產生的不平衡力和推力Fb。但是在實際的計算和應用過程中可以忽略因內部壓力而產生不平衡力，這是由于旋轉補償器的結構特征及其布置型式來決定的。因此，固定支架的推力計算公式為：F=Fm+Fb，其中，F(xiàn)m=μ*G，F(xiàn)b=M/[Lcos（θ/2）]，此公式中μ是摩擦系數(shù)，且鋼之間的滑動支架取0.3、聚四氟乙烯板和鋼間的滑動支架取0.2、滾動支架取0.1；G是旋轉補償器所在位置的管道與固定支架間的總重量；M是旋轉筒在摩擦時產生的摩擦力矩，這是以廠家提供的數(shù)據(jù)為準；L是旋轉力臂，θ是選擇角度；此時，該供熱管道對旋轉補償器的要求是2337380N·cm；旋轉補償器T1面的總推力F為13927N和33709N。因此，最終的計算結果顯示旋轉補償器應用過程中其固定支架所產生的推力是很小的，幾乎不會造成什么影響。主要推力是由管道在滑動過程中所產生的摩擦反力導致的。

5 結束語

在集中供熱需求越來越大的當前，供熱管道的設計普遍開始采用補償器來防治因熱伸長或者溫度應力而導致的供熱管道出現(xiàn)變形或破壞。旋轉補償器可以根據(jù)供熱管道的實際情況來選取合適的型式，相比其他類型的補償器更加靈活方便。旋轉補償器相比自然補償有減少彎頭、壽命長、補償量大和安全可靠的優(yōu)點。而且由旋轉補償器產生的推力也比較小，對管道壓力損失小，應用前景廣闊。

參考文獻

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