淺談波紋補(bǔ)償器在熱力管中的應(yīng)用

1、淺談波紋補(bǔ)償器在熱力管中的應(yīng)用1 引言2008年3月底，剛大修完（3月中旬完工）的某廠高爐，熱風(fēng)主管由于受熱膨脹，固定支架強(qiáng)度不夠，使波紋補(bǔ)償器伸長(zhǎng)，熱風(fēng)主管串位150mm左右，致使波紋補(bǔ)償器失交而關(guān)閉相應(yīng)熱風(fēng)爐搶修，為了以最快速度恢復(fù)生產(chǎn)，在波紋補(bǔ)償器外包復(fù)一層鐵皮，取代波紋補(bǔ)償器。作為管路系統(tǒng)中補(bǔ)償管道位移的撓性元件波紋補(bǔ)償器，自20世紀(jì)80年代起，逐漸在國(guó)內(nèi)冶金行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。特別是在高溫壓力管道系統(tǒng)中，如高爐熱風(fēng)爐的熱風(fēng)送風(fēng)管道、高爐荒煤氣管道、發(fā)電廠熱風(fēng)管道，成為管路組成不可缺少的元件。波紋補(bǔ)償器的使用，解決了復(fù)雜受力條件下管道接口被拉裂、管道法蘭螺栓受剪、法蘭錯(cuò)位、管道內(nèi)襯開(kāi)裂

2、、倒塌而導(dǎo)致管道發(fā)紅、變形，造成系統(tǒng)漏風(fēng)而危及生產(chǎn)安全的問(wèn)題。在實(shí)際運(yùn)用中，波紋補(bǔ)償器受損漏氣，甚至被撕裂的情況，很難采取補(bǔ)救措施，尤其是對(duì)帶有耐火材料砌筑體的高溫壓力管道來(lái)說(shuō)，施工難度很大，需要付出較多的人、材、物的投入和較長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)損失。因此，如何在熱力管道系統(tǒng)中應(yīng)用好波紋補(bǔ)償器是一個(gè)值得想象的課題。2 波紋補(bǔ)償器特點(diǎn)2.1 波紋補(bǔ)償器的分類(lèi)波紋管補(bǔ)償器根據(jù)位移形式可基本分為軸向、橫向、角向三類(lèi)，每一類(lèi)都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，所以必須根據(jù)不同的使用條件，恰當(dāng)?shù)剡x用才能使波紋補(bǔ)償器正常工作，做到波紋補(bǔ)償器設(shè)計(jì)選型經(jīng)濟(jì)、合理。波紋補(bǔ)償器大體上可分為以下幾類(lèi)。軸向補(bǔ)償 直管段上的膨脹節(jié)對(duì)沿膨脹節(jié)

3、及管段的軸向方向拉伸與壓縮進(jìn)行補(bǔ)償。膨脹節(jié)給出的額定補(bǔ)償量包括拉伸、壓縮位移的總和。在工作時(shí)主要是利用其波紋部分的軸向變形來(lái)吸收管道的軸向位移。橫向補(bǔ)償 是在“L”、“Z”、“”型管道中的補(bǔ)償形式。通過(guò)成對(duì)的波紋管彎曲變形實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)補(bǔ)償。角向補(bǔ)償 管路補(bǔ)償需要膨脹節(jié)作彎曲變形，它們往往是兩個(gè)或三個(gè)角向式膨脹節(jié)組合使用，實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)補(bǔ)償。鉸鏈型補(bǔ)償器 在結(jié)構(gòu)上由波紋管、活動(dòng)鉸鏈、銷(xiāo)軸組成。該補(bǔ)償器可在同一平面內(nèi)作角向偏轉(zhuǎn)，因此可吸收管道在同一平面內(nèi)的角位移。萬(wàn)向鉸鏈型補(bǔ)償器 在結(jié)構(gòu)上由波紋管、鉸鏈和萬(wàn)向鉸鏈組成。它可以在任意平面內(nèi)作角向偏轉(zhuǎn)，從而可吸收管道的任意平面內(nèi)的角位移（空間角位移）。軸向型（通

4、用型）補(bǔ)償器，是應(yīng)用最多的也是最基本的型式，在此主要以軸向型波紋補(bǔ)償器進(jìn)行介紹。2.2波紋補(bǔ)償器的使用特點(diǎn)波紋管補(bǔ)償優(yōu)點(diǎn)是：體積小、重量輕、節(jié)省鋼材、占地面積小、流動(dòng)阻力小、不易滲漏。盡管波紋補(bǔ)償器有很多優(yōu)點(diǎn)，但它也有自身的缺點(diǎn)，例如軸向型波紋補(bǔ)償器對(duì)主固定支架產(chǎn)生壓力推力，管壁較薄不能承受扭力，設(shè)備投資高等。如圖1所示，通用型波紋補(bǔ)償器主要用于補(bǔ)償管道的軸向位移及少量補(bǔ)償管道的橫向位移，減震吸噪，具有管系設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易安裝，造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。但在用于大口徑管系時(shí)因內(nèi)壓推力過(guò)大，要特別注意固定支架的強(qiáng)度，以免發(fā)生固定支架失穩(wěn)現(xiàn)象。2.3 通用型波紋補(bǔ)償器的型式通用型波紋補(bǔ)償器分法蘭式和管接式兩種，如

5、圖2、圖3所示。通用型波紋補(bǔ)償器的表示形式：3 波紋補(bǔ)償器的補(bǔ)償能力 波紋補(bǔ)償器按以下公式計(jì)算補(bǔ)償能力：L=nl （1）式中 L補(bǔ)償器的全部補(bǔ)償能力 mm l一個(gè)波節(jié)的補(bǔ)償能力 mm n波節(jié)數(shù)當(dāng)波節(jié)較多時(shí)，工作中波節(jié)邊緣比中間的變形大得多，且中間部分沿軸線(xiàn)向外彎曲，每個(gè)波節(jié)變形失去對(duì)稱(chēng)性，所以波節(jié)數(shù)一般取14。4 波紋補(bǔ)償器的使用壽命4.1 影響波紋補(bǔ)償器使用壽命的因素波紋補(bǔ)償器是以?shī)W氏體不銹鋼為材料一次滾壓成型，能承受壓力具有彈性的波紋形管狀元件，用以補(bǔ)償管路和設(shè)備位移的撓性元件。波紋補(bǔ)償器的使用壽命，一般以其疲勞破壞次數(shù)N來(lái)表示。根據(jù)波紋管的結(jié)構(gòu)參數(shù)、補(bǔ)償量和壓力值，疲勞破壞次數(shù)可通過(guò)計(jì)算

6、和實(shí)驗(yàn)得出。根據(jù)某產(chǎn)品實(shí)際測(cè)試得出波紋補(bǔ)償器在工作壓力、管道位移不等量變化時(shí)對(duì)補(bǔ)償器許用壽命影響的數(shù)據(jù)作出關(guān)系圖。圖4是波紋補(bǔ)償器工作壓力與許用壽命的關(guān)系圖，圖5是波紋補(bǔ)償器變形量與許用壽命的關(guān)系圖。由圖4可知，波紋補(bǔ)償器在額定位移附近使用時(shí)，工作壓力的變化對(duì)許用壽命影響很?。恢挥性诠ぷ魑灰屏侩x額定位移較大時(shí)，工作壓力的變化對(duì)許用壽的影響才較為明顯。而工作壓力無(wú)論在何范圍內(nèi)，波紋補(bǔ)償器的位移量對(duì)其許用壽命的影響是非常大的，見(jiàn)圖5。4.2 波紋補(bǔ)償器預(yù)變形用函數(shù)將圖5波紋補(bǔ)償器工作位移與壽命的關(guān)系表達(dá)成N=f1/（x/x0）n，其中，N為使用壽命，x為工作位移量，x0為額定位移量，n大于0的數(shù)字

7、。對(duì)N求導(dǎo)可得：Nx=-n·x0n·f'1xx0n/xn+1 （2）負(fù)值表示位移量增大，壽命減少。可見(jiàn)，盡量減少實(shí)際工作中的位移量，對(duì)提高波紋補(bǔ)償器使用壽命是非常有效的。所以，波紋補(bǔ)償器安裝前的預(yù)變形工作非常重要。通常，軸向波紋補(bǔ)償器軸向預(yù)變形量由下式確定：X= X 1/2-(T0-Tmin)/（Tmax- Tmin） （3）式中：X軸向預(yù)變形量 mm X 軸向補(bǔ)償量 mm T0安裝溫度 Tmin最低使用溫度 Tmax最高使用溫度 X為正表示預(yù)拉，為負(fù)表示預(yù)壓。式（3）的補(bǔ)償量是按管系的使用溫度之差（Tmax-Tmin）進(jìn)行計(jì)算得出，所考慮的管系正常使用溫度為（Tm

8、ax-Tmin）/2，故該式只適用于管系介質(zhì)溫度近似于環(huán)境溫度，且在環(huán)境溫度下使用的管系，不適用于高溫管系和低溫管系。因?yàn)轭A(yù)變形的目的是要使波紋補(bǔ)償器經(jīng)常處于中性狀態(tài)，即其自由狀態(tài)（不拉和不壓）附近，這樣可最大限度地延長(zhǎng)其使用壽命，而高溫管系和低溫管系的正常使用溫度偏差離（Tmax-Tmin）/2較遠(yuǎn)。所以，高溫管系和低溫管系的波紋補(bǔ)償器軸向預(yù)變形計(jì)算式應(yīng)進(jìn)行修正。修改后的預(yù)變形量為：X=XC （4）式中XC是根據(jù)管系在最常使用溫度TC與安裝溫度T0之差（TC -T0）下所計(jì)算出的位移量。為保證波紋補(bǔ)償器使用的可靠性，補(bǔ)償量X仍可按（Tmax-Tmin）進(jìn)行計(jì)算來(lái)選用補(bǔ)償器。因此，XC與X關(guān)系

9、應(yīng)為XC/X=（TC -T0）/（Tmax-Tmin）。故（3）式修改為：X=X（TC -T0）/（Tmax-Tmin） （5）按（5）式進(jìn)行預(yù)變形后，可使波紋補(bǔ)償器經(jīng)常處于自由狀態(tài)附近工作，不僅可減小對(duì)管路支架和設(shè)備的推力，更重要的是可大大地延長(zhǎng)補(bǔ)償器的使用壽命。式（5）為通用式，適用于各種使用溫度條件下的波紋補(bǔ)償器的預(yù)變形量計(jì)算。橫向和角向的預(yù)變形量可參照該式得出。4.3 減少波紋補(bǔ)償器的壓力變化由圖4可知，波紋補(bǔ)償器當(dāng)工作位移量在其額定位移量附近時(shí)，決定補(bǔ)償器壽命的主要因素是工作位移；而一旦將其位移量限制在其自由狀態(tài)下附近，如對(duì)波紋補(bǔ)償器作了預(yù)變形，壓力的變化是波紋補(bǔ)償器的使用壽命的決定

10、因素。但由于受工藝條件的要求和限制，設(shè)計(jì)和安裝對(duì)補(bǔ)償器的受壓是不可控的。但有些情況下，可通過(guò)工藝設(shè)計(jì)來(lái)改變波紋補(bǔ)償器的壓力條件，達(dá)到延長(zhǎng)補(bǔ)償器的使用壽命。如高爐熱風(fēng)爐支管處，將波紋補(bǔ)償器安裝在靠熱風(fēng)爐側(cè)和安裝在靠熱風(fēng)主管側(cè)的受壓情況將發(fā)生很大的變化。前者波紋補(bǔ)償器的受壓隨同該熱風(fēng)爐燒爐、送風(fēng)的壓力變化而周期性地變化；后者波紋補(bǔ)償器的壓力總是與熱風(fēng)主管的壓力相同，正常生產(chǎn)時(shí)壓力基本穩(wěn)定，因此可減少疲勞次數(shù)，延長(zhǎng)使用壽命。5 波紋補(bǔ)償器串聯(lián)使用波紋補(bǔ)償器串聯(lián)使用的原則是：相同變形方向的補(bǔ)償器之間必須有約束構(gòu)件（如固定支架、桿件等）分隔，使每個(gè)補(bǔ)償器的職責(zé)范圍明確。靠補(bǔ)償器的彈性力來(lái)使若干個(gè)串聯(lián)補(bǔ)償

11、器共同均勻承擔(dān)變形是靠不住的，尤其是對(duì)于砌有內(nèi)襯的管路和設(shè)備。如高爐熱風(fēng)爐的熱風(fēng)主管波紋補(bǔ)償器的設(shè)置，見(jiàn)圖6。大拉桿僅僅是對(duì)串聯(lián)波紋補(bǔ)償器的兩端的補(bǔ)償器的約束，中間各補(bǔ)償器仍采用次固定支架進(jìn)行隔離，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。6 波紋補(bǔ)償器的選擇熱力管網(wǎng)兩固定點(diǎn)之間的最大長(zhǎng)度是由管道失穩(wěn)條件決定的，它與管徑的大小及補(bǔ)償器的補(bǔ)償能力有關(guān)，一條管線(xiàn)無(wú)論如何復(fù)雜都可以通過(guò)設(shè)置固定支座將其分割成若干形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的獨(dú)立管段，如直管段，L形管段，Z形管段等。熱力管道的熱伸長(zhǎng)量通常按下式計(jì)算： x=(t1-t2)L其中：x 管道的熱伸長(zhǎng)量，mm; 鋼管的線(xiàn)膨脹系數(shù)，mm/(m ), t1 管內(nèi)介質(zhì)溫度， t2 管道安裝

12、時(shí)的溫度, L 管道計(jì)算長(zhǎng)度，m。 計(jì)算管道熱伸長(zhǎng)量，是為了確定補(bǔ)償器的所需補(bǔ)償量，從而選擇所需的補(bǔ)償器，所以對(duì)于管道的熱伸長(zhǎng)量應(yīng)計(jì)算其最大值，即取冷態(tài)安裝條件的最低溫度和熱態(tài)運(yùn)行條件的最高溫度之間的最大溫差。7 施工中應(yīng)注意的問(wèn)題正確的施工是良好設(shè)計(jì)的保證。因此，要求施工人員應(yīng)掌握必要的波紋補(bǔ)償器的常識(shí)，補(bǔ)償器并非僅僅是一般的管路（設(shè)備）附件，是有其特殊規(guī)律的高技術(shù)產(chǎn)品，需要遵循規(guī)范要求進(jìn)行施工和安裝，在施工過(guò)程中應(yīng)注意以下幾處問(wèn)題。 施工時(shí)絕對(duì)不允許把波紋補(bǔ)償器當(dāng)全彈性元件，用于校正管道安裝誤差。這是的。 施工時(shí)必須分清不同要求的管道支架，嚴(yán)格按圖紙的要求進(jìn)行施工。常見(jiàn)的施工錯(cuò)誤是固定支架

13、沒(méi)有固定，結(jié)果造成整體管系失穩(wěn)，管路變形位移集中在某個(gè)或某幾個(gè)補(bǔ)償器上，使其無(wú)法承受形變而補(bǔ)損壞（如前所說(shuō)某廠高爐熱風(fēng)爐波紋補(bǔ)償器的變形，就是由于固定支架沒(méi)有固定好，使波紋補(bǔ)償器變形達(dá)極限失效）。 管道安裝前，必須嚴(yán)格按圖紙要求的標(biāo)高和軸線(xiàn)安裝好管托；補(bǔ)償器安裝前，必須確認(rèn)管道已平穩(wěn)地放置在管托上方可進(jìn)行補(bǔ)償器的安裝。 波紋補(bǔ)償器出廠前，每組波紋管均用小拉桿進(jìn)行固定，目的是防止波紋管在運(yùn)輸途中和施工安裝過(guò)程中受損，因此，其間的任何時(shí)候均不允許松動(dòng)其緊固螺母，更不允許取消其拉桿。當(dāng)施工安裝完畢，應(yīng)進(jìn)行管路系統(tǒng)的初步驗(yàn)收。確認(rèn)無(wú)誤后，在試車(chē)前方可按各補(bǔ)償器的要求，松開(kāi)其緊固螺母。如：通用軸向型補(bǔ)償器的小拉桿螺母有限制補(bǔ)償器位移量的作用，如設(shè)計(jì)要求管路工作收縮最大位移量為20mm，伸長(zhǎng)最大位移量為50mm，則需將小拉桿的外螺母松開(kāi)20mm，內(nèi)螺母松開(kāi)50mm。8 驗(yàn)收波紋補(bǔ)償器安裝，應(yīng)符合下列要求： 應(yīng)進(jìn)行外觀尺寸檢查，管口周長(zhǎng)的允許偏差：公稱(chēng)直徑大于的為±；小于或等于的±波頂直徑偏差為±； 應(yīng)進(jìn)行預(yù)拉伸或預(yù)壓縮試驗(yàn)，不得有變形不均現(xiàn)象； 內(nèi)套有焊縫的一端，在水平管道上應(yīng)迎介質(zhì)流向安裝，在垂直管道上應(yīng)將焊縫置于上部； 波紋補(bǔ)償器應(yīng)與管道保持同軸，不得偏斜； 安裝時(shí)，應(yīng)在波紋補(bǔ)償器兩端加設(shè)臨時(shí)支撐裝置，在