淺談波紋補償器在熱力管中的應(yīng)用

1、淺談波紋補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，固定支架強度不夠，使波紋補償器伸長，熱風(fēng)主管串位150mm左右，致使波紋補償器失交而關(guān)閉相應(yīng)熱風(fēng)爐搶修，為了以最快速度恢復(fù)生產(chǎn)，在波紋補償器外包復(fù)一層鐵皮，取代波紋補償器。作為管路系統(tǒng)中補償管道位移的撓性元件波紋補償器，自20世紀(jì)80年代起，逐漸在國內(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、法蘭錯位、管道內(nèi)襯開裂

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)安全的問題。在實際運用中，波紋補償器受損漏氣，甚至被撕裂的情況，很難采取補救措施，尤其是對帶有耐火材料砌筑體的高溫壓力管道來說，施工難度很大，需要付出較多的人、材、物的投入和較長時間的生產(chǎn)損失。因此，如何在熱力管道系統(tǒng)中應(yīng)用好波紋補償器是一個值得想象的課題。2 波紋補償器特點2.1 波紋補償器的分類波紋管補償器根據(jù)位移形式可基本分為軸向、橫向、角向三類，每一類都有各自的優(yōu)點和缺點，所以必須根據(jù)不同的使用條件，恰當(dāng)?shù)剡x用才能使波紋補償器正常工作，做到波紋補償器設(shè)計選型經(jīng)濟、合理。波紋補償器大體上可分為以下幾類。軸向補償 直管段上的膨脹節(jié)對沿膨脹節(jié)

3、及管段的軸向方向拉伸與壓縮進(jìn)行補償。膨脹節(jié)給出的額定補償量包括拉伸、壓縮位移的總和。在工作時主要是利用其波紋部分的軸向變形來吸收管道的軸向位移。橫向補償 是在“L”、“Z”、“”型管道中的補償形式。通過成對的波紋管彎曲變形實現(xiàn)直線補償。角向補償 管路補償需要膨脹節(jié)作彎曲變形，它們往往是兩個或三個角向式膨脹節(jié)組合使用，實現(xiàn)直線補償。鉸鏈型補償器 在結(jié)構(gòu)上由波紋管、活動鉸鏈、銷軸組成。該補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。萬向鉸鏈型補償器 在結(jié)構(gòu)上由波紋管、鉸鏈和萬向鉸鏈組成。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償器進(jìn)行介紹。2.2波紋補償器的使用特點波紋管補償優(yōu)點是：體積小、重量輕、節(jié)省鋼材、占地面積小、流動阻力小、不易滲漏。盡管波紋補償器有很多優(yōu)點，但它也有自身的缺點，例如軸向型波紋補償器對主固定支架產(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，通用型波紋補償器主要用于補償管道的軸向位移及少量補償管道的橫向位移，減震吸噪，具有管系設(shè)計簡單，易安裝，造價低等優(yōu)點。但在用于大口徑管系時因內(nèi)壓推力過大，要特別注意固定支架的強度，以免發(fā)生固定支架失穩(wěn)現(xiàn)象。2.3 通用型波紋補償器的型式通用型波紋補償器分法蘭式和管接式兩種，如

5、圖2、圖3所示。通用型波紋補償器的表示形式：3 波紋補償器的補償能力 波紋補償器按以下公式計算補償能力：L=nl （1）式中 L補償器的全部補償能力 mm l一個波節(jié)的補償能力 mm n波節(jié)數(shù)當(dāng)波節(jié)較多時，工作中波節(jié)邊緣比中間的變形大得多，且中間部分沿軸線向外彎曲，每個波節(jié)變形失去對稱性，所以波節(jié)數(shù)一般取14。4 波紋補償器的使用壽命4.1 影響波紋補償器使用壽命的因素波紋補償器是以奧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，用以補償管路和設(shè)備位移的撓性元件。波紋補償器的使用壽命，一般以其疲勞破壞次數(shù)N來表示。根據(jù)波紋管的結(jié)構(gòu)參數(shù)、補償量和壓力值，疲勞破壞次數(shù)可通過計算

6、和實驗得出。根據(jù)某產(chǎn)品實際測試得出波紋補償器在工作壓力、管道位移不等量變化時對補償器許用壽命影響的數(shù)據(jù)作出關(guān)系圖。圖4是波紋補償器工作壓力與許用壽命的關(guān)系圖，圖5是波紋補償器變形量與許用壽命的關(guān)系圖。由圖4可知，波紋補償器在額定位移附近使用時，工作壓力的變化對許用壽命影響很?。恢挥性诠ぷ魑灰屏侩x額定位移較大時，工作壓力的變化對許用壽的影響才較為明顯。而工作壓力無論在何范圍內(nèi)，波紋補償器的位移量對其許用壽命的影響是非常大的，見圖5。4.2 波紋補償器預(yù)變形用函數(shù)將圖5波紋補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?？梢?，盡量減少實際工作中的位移量，對提高波紋補償器使用壽命是非常有效的。所以，波紋補償器安裝前的預(yù)變形工作非常重要。通常，軸向波紋補償器軸向預(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）的補償量是按管系的使用溫度之差（Tmax-Tmin）進(jìn)行計算得出，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。因為預(yù)變形的目的是要使波紋補償器經(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償器軸向預(yù)變形計算式應(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）下所計算出的位移量。為保證波紋補償器使用的可靠性，補償量X仍可按（Tmax-Tmin）進(jìn)行計算來選用補償器。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，可使波紋補償器經(jīng)常處于自由狀態(tài)附近工作，不僅可減小對管路支架和設(shè)備的推力，更重要的是可大大地延長補償器的使用壽命。式（5）為通用式，適用于各種使用溫度條件下的波紋補償器的預(yù)變形量計算。橫向和角向的預(yù)變形量可參照該式得出。4.3 減少波紋補償器的壓力變化由圖4可知，波紋補償器當(dāng)工作位移量在其額定位移量附近時，決定補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，如對波紋補償器作了預(yù)變形，壓力的變化是波紋補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)計和安裝對補償器的受壓是不可控的。但有些情況下，可通過工藝設(shè)計來改變波紋補償器的壓力條件，達(dá)到延長補償器的使用壽命。如高爐熱風(fēng)爐支管處，將波紋補償器安裝在靠熱風(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；后者波紋補償器的壓力總是與熱風(fēng)主管的壓力相同，正常生產(chǎn)時壓力基本穩(wěn)定，因此可減少疲勞次數(shù)，延長使用壽命。5 波紋補償器串聯(lián)使用波紋補償器串聯(lián)使用的原則是：相同變形方向的補償器之間必須有約束構(gòu)件（如固定支架、桿件等）分隔，使每個補償器的職責(zé)范圍明確?？垦a償器的彈性力來使若干個串聯(lián)補償

11、器共同均勻承擔(dān)變形是靠不住的，尤其是對于砌有內(nèi)襯的管路和設(shè)備。如高爐熱風(fēng)爐的熱風(fēng)主管波紋補償器的設(shè)置，見圖6。大拉桿僅僅是對串聯(lián)波紋補償器的兩端的補償器的約束，中間各補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 波紋補償器的選擇熱力管網(wǎng)兩固定點之間的最大長度是由管道失穩(wěn)條件決定的，它與管徑的大小及補償器的補償能力有關(guān)，一條管線無論如何復(fù)雜都可以通過設(shè)置固定支座將其分割成若干形狀相對簡單的獨立管段，如直管段，L形管段，Z形管段等。熱力管道的熱伸長量通常按下式計算： x=(t1-t2)L其中：x 管道的熱伸長量，mm; 鋼管的線膨脹系數(shù)，mm/(m ), t1 管內(nèi)介質(zhì)溫度， t2 管道安裝

12、時的溫度, L 管道計算長度，m。 計算管道熱伸長量，是為了確定補償器的所需補償量，從而選擇所需的補償器，所以對于管道的熱伸長量應(yīng)計算其最大值，即取冷態(tài)安裝條件的最低溫度和熱態(tài)運行條件的最高溫度之間的最大溫差。7 施工中應(yīng)注意的問題正確的施工是良好設(shè)計的保證。因此，要求施工人員應(yīng)掌握必要的波紋補償器的常識，補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，在施工過程中應(yīng)注意以下幾處問題。 施工時絕對不允許把波紋補償器當(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。常見的施工錯誤是固定支架

13、沒有固定，結(jié)果造成整體管系失穩(wěn)，管路變形位移集中在某個或某幾個補償器上，使其無法承受形變而補損壞（如前所說某廠高爐熱風(fēng)爐波紋補償器的變形，就是由于固定支架沒有固定好，使波紋補償器變形達(dá)極限失效）。 管道安裝前，必須嚴(yán)格按圖紙要求的標(biāo)高和軸線安裝好管托；補償器安裝前，必須確認(rèn)管道已平穩(wěn)地放置在管托上方可進(jìn)行補償器的安裝。 波紋補償器出廠前，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輸途中和施工安裝過程中受損，因此，其間的任何時候均不允許松動其緊固螺母，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)的初步驗收。確認(rèn)無誤后，在試車前方可按各補償器的要求，松開其緊固螺母。如：通用軸向型補償器的小拉桿螺母有限制補償器位移量的作用，如設(shè)計要求管路工作收縮最大位移量為20mm，伸長最大位移量為50mm，則需將小拉桿的外螺母松開20mm，內(nèi)螺母松開50mm。8 驗收波紋補償器安裝，應(yīng)符合下列要求： 應(yīng)進(jìn)行外觀尺寸檢查，管口周長的允許偏差：公稱直徑大于的為±；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，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； 波紋補償器應(yīng)與管道保持同軸，不得偏斜； 安裝時，應(yīng)在波紋補償器兩端加設(shè)臨時支撐裝置，在