【摘要】随着大型工业园区的建设与发展，高温高压蒸汽长距离输送至热用户已越来越普遍，如何解决高温高压蒸汽管道的热膨胀问题和热损失问题，是管道设计中的重点和难点。本文就自然补偿和旋转补偿器两种补偿方式在设计选型和应用效果两个方面进行了比较，可作为高温高压蒸汽管道选择最佳补偿方式的参考。

 

　　【关键词】高温高压蒸汽管道；自然补偿；旋转补偿器

 

　　蒸汽管道通常采用自然补偿和补偿器补偿两种方式，自然补偿是利用弯头形成“π”型或“L”型管段进行补偿，结构简单，运行可靠，设计中通常优先考虑，尤其是高温高压蒸汽管道。管道上比较常用的补偿器有以下几种：①球型补偿器；②套管式补偿器；③波纹管补偿器；④旋转补偿器。其中，球形补偿器和套管式补偿器易发生泄漏，在有毒及可燃介质管道中严禁采用，在蒸汽管道上也不推荐使用；波纹管补偿器应用较为广泛，其核心结构是用薄壁的奥氏体不锈钢材料制成的波纹管，对温度和压力敏感，因此不适用于温度>400℃、压力>2.5MPa的蒸汽管道，尤其是轴向型波纹管补偿器，在吸收管道轴向位移时会产生巨大的内压推力，从而大大增加土建费用；旋转补偿器是通过两个补偿器和力臂形成力偶，使大小相等、方向相反的一对力，由力臂绕着中心轴线旋转，以达到吸收力偶两边热管道产生的热膨胀量的目的，应用多只旋转补偿器组成立体管道结构，可获得较大的补偿量和平衡能力，也可根据管网结构改变管道的走向。由此可见，高温高压蒸汽管道宜选用自然补偿方式或旋转补偿器来吸收管道的热膨胀量。

 

　　一、自然补偿与旋转补偿器的比较

 

　　热力管道尤其是蒸汽管道设计初期，管道走向应充分考虑热胀冷缩产生的二次应力，以确保管道热态运行的安全性和稳定性。管道热膨胀量的计算公式如下：

 

　　△L=Lα（T1-T2）

 

　　L表示计算管道的长度，单位是m；α表示管道的线膨胀系数，与管道材质有关，单位是mm/（m?℃）；T1表示管道内的介质温度，单位是℃；T2表示管道的安装温度，单位是℃，一般取20℃。

 

　　1.1管道的自然补偿

 

　　在进行热力管道设计时，首先要考虑自然补偿，即利用管道的自然弯曲吸收管道自身的热膨胀量。自然补偿在热力管道的设计中一般分为三类：空间立体弯、Z字型折角弯和L型直角弯。判别空间立体管段的补偿能力能否满足要求时，可用到以下公式：

 

　　D0表示管道的外径，单位是mm；Y表示管段的总变形量，即管道三个方向的热变形量的矢量和，单位是mm；L表示管段在两固定点之间的展开长度，单位是m；U表示管段两固定点之间的直线距离，单位是m。使用条件：①管道的两端必须固定；②固定点之间无分支管；③计算管段的外径、壁厚及材质统一；④管道上无中间约束。

 

　　由于工程实际中运行的热力管系均为复杂管系，无法满足上式的使用条件，因此热力管道设计时多采用应力分析计算软件，可有效判别某蒸汽管道或管系是否满足自然补偿要求。

 

　　1.2自然补偿的优缺点

 

　　自然补偿在高温高压蒸汽管道上的优势十分明显：首先，耐温耐压性能好，不受补偿器材质或填料的限制；其次，无泄漏隐患，运行安全稳定，事故率低；另外，结构简单，施工方便。

 

　　自然补偿的缺点：①补偿能力小，对于蒸汽管道，一般30-50m就需设置一组“π”型空间立体补偿弯；②占地面积大，如管道走向不能满足自身补偿的要求，就需要额外设置“π”型补偿，增加了占地面积和土建投资；③运行成本高，由于弯头增加，局部阻力损失增大，管道内介质的温降和压降均较为明显，为满足下游热用户需求，就要提高汽源的温度和压力，从而增加投资和运行成本。因此，长距离输送高温高压蒸汽管道，是否采用自然补偿方式，应进行经济评价和方案比选。

 

　　1.3旋转补偿器的特点

 

　　旋转补偿器最大的优势在于补偿量大，例如DN450以上的旋转补偿器，其补偿量可达2000mm，这样就可以弥补自然补偿阻力损失大、运行成本高的缺点。但是，旋转补偿器因其结构特点，泄漏频率较高。旋转补偿器的主要技术核心是填料密封，易发生泄漏的原因主要有以下两条：

 

　　（1）工作时填料磨损，造成填料腔内松动，发生泄漏；

 

　　（2）因管道中介质的不利因素（如氯离子、温度等）使填料发生氧化，长期使用造成填料腔内松动，发生泄漏。

 

　　二、旋转补偿器与自然补偿在实际应用中的效果对比

 

　　旋转补偿器与自然补偿方式相比较，在设计理念上最大的变化就是将轴向补偿转换成旋转补偿。例如一根DN400的过热蒸汽管线，设计压力4.65MPa，设计温度450℃，管道材质为15CrMoG，如选用旋转补偿器，其最大补偿量为1800mm，根据公式计算，一组旋转补偿器的补偿距离可达302m，是自然补偿距离的6-10倍。由此可见，旋转补偿器能够大量减少弯头使用和管道当量长度，从而使蒸汽管道的温降和压降大幅度减少，为项目的投资和运行减少成本，并且实现高温高压蒸汽的长距离输送。

 

　　以上述过热蒸汽管线为例，当输送距离为270m，介质流量为200t/h时，采用自然补偿的压降为0.1MPa，采用旋转补偿器的压降为0.06MPa，输送距离越远，节能降耗效果越明显。

 

　　三、结论

 

　　目前，旋转补偿器在高温高压蒸汽管道上的应用并不广泛，主要原因是其泄漏隐患仍然存在，但从其发展趋势上看，可以在长距离输送蒸汽管线上替代自然补偿方式。

 

　　【参考文献】

 

　　[1]李文昌蒸汽管道利用自然补偿的计算实例[期刊论文]-新疆有色金属2011，34（z1）

 

　　[2]朱小波旋转补偿器在高压蒸汽管道中的应用及节能效果[期刊论文]-石油化工技术与经济2013,29(1)