熱力管道的熱膨脹及其補償

1、熱力管道的熱膨脹及其補償摘要：熱力管道輸送的介質溫度很高，投入運行后，將引起管道的熱膨脹，使管壁內或某些焊縫上產生巨大的應力，如果此應力超過了管材或焊縫的強度極限，就會使管道造成破壞。本文就熱力管道的熱膨脹、熱應力、軸向推力的理論分析計算，針對各種補償器的選用原則和安裝要點進行了簡述。關鍵詞：熱力管道 熱膨脹 熱應力 熱補償 補償器 預拉伸1 管道的熱膨脹及熱應力計算1.1 管道的熱膨脹計算管段的熱膨脹量按下式計算：L=.L.t=2.L.(t2-t1)式中：L管段的熱膨脹量（mm）；管材的線膨脹系數，即溫度每升高1每米管子的膨脹量（mm/m.）；L管段長度（m）；t計算溫差，即管道受熱時所升高

2、的溫度，它等于管道輸送介質的最高工作溫度t2與管道安裝時的環(huán)境溫度t1之差（）。對于一般碳鋼管=1210-4mm/m.，則L=0.012.L.t。在施工中，為了迅速估算碳鋼管道的熱膨脹量，可按每米管道在升溫100時，其膨脹量為1.2mm計算。1.2 管道的熱應力計算管道受熱時所產生的應力的大小可按下式計算：=E. = E. = E. =E.t 式中：管道受熱時所產生的應力（kg/cm2）；E管材的彈性模量（kg/cm2）；管道的相對變形量，它等于管道的熱膨脹量L（mm）與管道原長L（m）之比，即= 常用鋼材的彈性模量E=210-6（kg/cm2），一般碳鋼管的線膨脹系數=1210-6（mm/m

3、.），則熱應力的計算公式可簡化為=21061210-6t=24.t（kg/cm2）。利用此式，可以很容易地計算出鋼管道熱膨脹受到限制時產生的熱應力。由此可見，管道受熱時所產生的應力的大小，與管子直徑及管壁厚度無關。它是由管子材料的彈性模量、線膨脹系數和管道受熱時所升高的溫度來決定的。在這三個因素中，溫差是影響熱應力的最主要因素。1.3 管道的軸向推力計算管道的軸向推力就是管道在斷面上受熱時所受到的縱向總壓力，其計算公式為：P=.F。式中：P縱向壓力（kg）；熱應力（kg/cm2）；F管子橫斷面積（cm2）。此力作用在管道兩端的支架上，對于兩端固定的直管，溫度變化引起的熱應力，僅與管道材質、管壁

4、截面積和溫度變化有關，而與管路的長度無關。這個應力往往是很大的，如不采取補償措施，容易造成破壞性。對于彎曲的熱力管道情況就不同了，由于管道可以產生一定范圍內的自然變形，從而大大減少了應力，避免管道遭到破壞。1.4 例有一根2198的碳素鋼無縫鋼管，長度為20米，投入運行后的溫度為425，而安裝時的環(huán)境溫度為25，那么該管段的熱膨脹量是多少？管段受熱時產生的熱應力是多少？如果將管道兩端固定，因膨脹而產生的軸向推力是多少？已知2=0.012mm/m.，E=2106kg/cm2）。解 管道投入運行后與安裝時溫度差t=425-25=400。故熱膨脹量L=.L.t=0.01220400=96(mm)。熱

5、應力=24.t=24400=9600(kg/cm2)。軸向推力P=.F=9600=600192(kg)=600.2（t） 上述管段受熱時產生的應力達9600kg/cm2，已超過了碳素鋼的極限強度，由此產生600.2噸的軸向推力。如果將管道兩端固定，則該管段將被受熱時產生的熱應力破壞。2 管道的熱補償種類及選用原則管道的熱補償，就是合理地確定固定支架的位置，使管道在一定范圍內，進行有控制的伸縮，以便通過補償器和管道本身的彎曲部分進行長度補償。作為能減釋熱應力的補償器一般可分為自然補償和人工補償兩大類。布置熱力管道的固定支架和補償器時，應首先考慮利用管道的彎曲部分進行自然補償。2.1 自然補償器選

6、用原則2.1.1 管道布置時，應盡量利用所用管路原有彎曲的自然補償，當自然補償不能滿足要求時，才考慮裝設各種類型的補償器。2.1.2 當彎管轉角小于150時，可用自然補償；大于150時不能用作自然補償。2.1.3 自然補償器的管道臂長不應超過2025m，彎曲應力不應超過80Mpa。2.2 方型補償器的選用原則2.2.1 熱力管網一般采用方型補償器，只有在方型補償器不便使用時，才選用其他類型補償器。2.2.2 方型補償器的自由臂（導向支架至補償器外臂的距離），一般為40倍公稱直徑的長度。2.2.3 方型補償器須用優(yōu)質無縫鋼管制作。DN150mm及壓力的PN0.7MPa管道。2.3.2 波形補償器

7、用鋼板制作，鋼板厚度一般采用34mm。2.3.3 波形補償器的波節(jié)以34個為宜，每個波節(jié)的補償能力一般為20mm。2.4 填料式補償器的選用原則2.4.1 填料式補償器一般用于直徑DN100mm，工作壓力PN1.3MPa（鑄鐵制）及PN1.6Mpa（鋼制）的管道上。2.4.2 由于填料密封性能不可靠，一定時期必須更換填料，因此不宜用于不通行地溝內敷設的管道上。2.4.3 鋼制填料式補償器有單向和雙向兩種。一個雙向補償器的補償能力，相當于兩個單向補償器的補償能力，可用于工作壓力PN1.6MPa，安裝方型補償器有困難的熱力管道上。2.5 球形伸縮器的選用原則2.5.1 球形伸縮器是利用球形管的隨機

8、彎轉來解決管道的熱補償問題，對于三向位移的蒸汽和熱水管道最宜采用。2.5.2 球形伸縮器可以安裝于任何位置，工作介質可以由任意一端出入。其缺點是存在側向位移、易漏，要求加強維修。2.5.3 安裝前須將兩端封堵，存放于干燥通風的室內，長期保存時，應經常檢查，防止銹蝕。3 補償器的安裝要點3.1 方型補償器的安裝要點3.1.1 方型補償器用彎頭拼接時，水平臂中間處不準有焊縫，如無法避免焊縫，則應盡量靠近彎頭兩側，由于兩根垂直臂中部彎曲應力最小，因此拼接焊縫最好設置在垂直臂中部。3.1.2 補償器安裝前應進行預拉伸（壓縮），預拉伸（壓縮）量為補償值的一半。預拉伸可用千斤頂撐開或用拉管器拉開。預拉伸（

9、壓縮）量允許偏差應小于10mm。3.1.3 補償器應在兩個固定支架之間的管道安裝完畢后進行。冷拉焊口應選在距補償器彎曲起點22.5m處，冷拉前，固定支架應牢固固定，閥件的螺栓應全部擰緊。3.1.4 補償器水平安裝時，應與管道保持同一坡度，垂直臂應呈水平安裝，數根管道平行敷設時，補償器一般布置在同一位置。3.1.5 補償器豎向安裝時，如輸送介質為液體，應在補償器最高處設放氣閥；如輸送介質為氣體，應在補償器最低處安裝排水裝置。3.1.6 補償器兩側的第一個支架，宜設在距補償器彎頭起彎點0.51.0m處，支架為滑動支架，不得設置導向支架或固定支架。3.1.7 鄰近補償器的支架，其滑托應向管道熱膨脹方

10、向相反的一側移動，移動量等于固定支架到該支架處的熱膨脹量。3.2 波形補償器的安裝要點3.2.1 波形補償器安裝時，應根據補償零點溫度定位，補償零點溫度就是在管道設計時考慮到最高溫度與最低溫度的中點。在環(huán)境溫度等于補償零點溫度時安裝，補償器可不進行預拉或預壓。如果安裝時環(huán)境溫度高于補償零點溫度，應預先壓縮；反之應預先拉伸。拉伸或壓縮的數值見附表安裝波形補償器的拉伸或壓縮量。3.2.2 波形補償器的預拉或預壓，應在平地上進行，作用力應分23次逐漸增加，盡量保證各波節(jié)的圓周面受力均勻。拉伸或壓縮量的偏差應小于5mm，當拉伸或壓縮達到要求數值時，應立即進行固定。3.2.3 補償器安裝時應注意方向性，

11、內套管有焊縫的一端在水平管上應迎介質流向安裝，在垂直管上應置于上部，以防凝結水大量流入波節(jié)內。如管內有凝結水產生時，應在每個波節(jié)下方安裝放水閥。3.2.4 吊裝時，不得將繩索綁在波節(jié)上，也不允許將支撐件焊在波節(jié)上。3.2.5 補償器應嚴格按照管道中心線安裝，不得偏斜。3.3 填料式補償器的安裝要點3.3.1 補償器應嚴格按照管道中心線安裝，不得偏斜。3.3.2 在補償器的兩側，至少各有一個導向支座，保證運行時自由伸縮，不偏離中心。3.3.3 按設計規(guī)定的安裝長度并應考慮氣溫變化，留有剩余的收縮量，剩余收縮量可按下式計算。 S=S0 式中：S 插管與外殼擋圈的安裝剩余收縮量（mm）； S0補償器

12、的最大行程（mm）； t0 室外最低設計溫度（）； t1 補償器安裝時的氣溫（）； t2 介質的最高設計溫度（）；收縮剩余量的允許偏差為5mm。3.3.4 插管應安裝在介質流入端。3.3.5 補償器的摩擦部位應涂上機油，非摩擦部位應涂上防銹漆。填料石棉繩應涂石墨粉，并逐圈裝入，逐圈壓緊，各圈接口應相互錯開。4 方形補償器的預拉伸方法安裝方形補償器時，應預拉補償長度的一半，即L/2。如果不加拉伸就進行安裝，在管網投入運行后，可能產生很大的應力，甚至造成事故。方形補償器的預拉伸按下述方法進行。假設管段的熱膨脹長度L=100mm，則預留安裝補償器的空位應為補償器總長度加L/2=50mm。然后把補償器的兩臂強制向外拉伸50mm，即恰好與預留空位尺寸相等，此時即可焊接管口，也可以將未撐開的補償器的一端先與管道焊接固定，此時另一側則有50mm間隙，然后再強制拉伸并與管道焊接固定。經過上述拉伸后，補償器內部產生了內應力，力圖把兩側的管道拉過來。管網投入運行，溫度逐漸升高后，由于管道熱膨脹正好順應了補償器的收縮力，于是熱膨脹長度達到50mm時，補償器也正好收縮到原來的尺寸，這時補償器的內應力消除。當管道熱膨脹時，補償器開