為(wei)了防止管(guan)(guan)道(dao)熱(re)膨脹產生的(de)破(po)壞作用，在管(guan)(guan)道(dao)設計中，應當對高(gao)溫管(guan)(guan)道(dao)進行熱(re)補償(chang)設計。管(guan)(guan)道(dao)的(de)熱(re)補償(chang)方(fang)法有兩種(zhong)：一種(zhong)是利用管(guan)(guan)道(dao)自(zi)身(shen)的(de)柔性吸收其位移變形的(de)自(zi)然補償(chang)法；另一種(zhong)是利用在管(guan)(guan)道(dao)中設置適當形式的(de)補償(chang)器對管(guan)(guan)道(dao)進行補償(chang)的(de)方(fang)法。
管道(dao)在現場的(de)(de)走向是根據工藝設備的(de)(de)布(bu)置情況決(jue)定的(de)(de)。利(li)用改(gai)變管道(dao)走向、調整支撐(cheng)點的(de)(de)位置或改(gai)變支吊架的(de)(de)形(xing)式，增加管道(dao)自身的(de)(de)柔(rou)性，以補償(chang)其(qi)熱膨脹和端點附加位移的(de)(de)辦(ban)法稱為管道(dao)自然補償(chang)。例(li)如(ru)在管道(dao)中布(bu)置適當的(de)(de)L形(xing)、Z形(xing)或I形(xing)管段，即可有效地增加管道(dao)的(de)(de)柔(rou)性。這種補償(chang)辦(ban)法結構(gou)簡(jian)單、運行可靠、投(tou)資少，所以被廣(guang)泛采用。
1. 金屬(shu)波紋管(guan)膨脹節
隨著大(da)直徑高(gao)(gao)溫(wen)管道的(de)(de)增多和金屬(shu)波(bo)紋(wen)(wen)管膨(peng)脹(zhang)節制(zhi)造技(ji)術的(de)(de)提高(gao)(gao)，近年(nian)來(lai)金屬(shu)波(bo)紋(wen)(wen)管膨(peng)脹(zhang)節在壓(ya)(ya)力管道中得到了廣(guang)泛應(ying)用。此種補(bu)償器制(zhi)造技(ji)術較(jiao)為(wei)復雜(za)，價格高(gao)(gao)。一(yi)(yi)般采用0.5~3mm薄(bo)(bo)不銹(xiu)鋼板制(zhi)造，耐(nai)壓(ya)(ya)低，補(bu)償能力大(da)，適用于低壓(ya)(ya)大(da)直徑高(gao)(gao)溫(wen)管道。但應(ying)當指出，在強(qiang)度(du)上它(ta)是管道中的(de)(de)薄(bo)(bo)弱環(huan)節，與自(zi)然補(bu)償比較(jiao)可(ke)靠性差，應(ying)正確(que)選(xuan)用與安(an)裝(zhuang)。目前(qian)此種補(bu)償器尚無(wu)國家標(biao)準(zhun)，各(ge)企業標(biao)準(zhun)的(de)(de)波(bo)紋(wen)(wen)管參數尚不統一(yi)(yi)，但其制(zhi)造技(ji)術條(tiao)件(jian)已有國家標(biao)準(zhun)GB/T 12777《金屬(shu)波(bo)紋(wen)(wen)管膨(peng)脹(zhang)節制(zhi)造技(ji)術條(tiao)件(jian)》。
根據金屬波紋管(guan)膨脹(zhang)節的結構和功能(neng)，其基本形式可(ke)分十大類。如表(biao)3-16所示。
壓(ya)力(li)管(guan)道(dao)常用的(de)金(jin)屬(shu)波(bo)紋(wen)管(guan)膨脹節主要有單(dan)式軸向型(xing)(xing)、復式拉(la)桿型(xing)(xing)、單(dan)式鉸鏈(lian)型(xing)(xing)及彎管(guan)壓(ya)力(li)平衡型(xing)(xing)等幾種。
①. 單式軸向型(xing)膨脹(zhang)節
單(dan)(dan)式軸(zhou)向型膨(peng)(peng)脹節結(jie)構(gou)簡(jian)單(dan)(dan)、價格(ge)低，主(zhu)要(yao)用于(yu)吸(xi)收軸(zhou)向位移(yi)，在(zai)一定條件下可吸(xi)收少量(liang)角位移(yi)和軸(zhou)向位移(yi)。用于(yu)吸(xi)收軸(zhou)向位移(yi)的(de)單(dan)(dan)式軸(zhou)向型膨(peng)(peng)脹節的(de)典型布置如圖 3-15 所示。
單(dan)式軸向型膨脹節(jie)屬于無約束型波紋膨脹節(jie)，不能承受(shou)波紋管壓力(li)推力(li)。選用時應注意下列問(wen)題。
a. 兩固定支座之間的管道上只能(neng)布(bu)置一個該(gai)型膨脹節。
b. 固定支(zhi)座必須有足夠的強度，以承受(shou)波紋管(guan)壓力推力。
c. 對管道(dao)必須(xu)進行(xing)嚴(yan)格保護(hu)，尤其是靠近波紋管膨(peng)脹節的部位應(ying)設置導(dao)向(xiang)(xiang)(xiang)架(jia)，第一個(ge)(ge)導(dao)向(xiang)(xiang)(xiang)支架(jia)與膨(peng)脹節的距(ju)離(li)應(ying)小于4DN,第二(er)個(ge)(ge)導(dao)向(xiang)(xiang)(xiang)支架(jia)與第一個(ge)(ge)導(dao)向(xiang)(xiang)(xiang)支架(jia)的距(ju)離(li)應(ying)不大于14DN,以防止(zhi)管道(dao)有彎曲或徑(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)偏移造成膨(peng)脹節破壞。
②. 復式(shi)拉桿型膨(peng)脹節
復式拉桿型膨(peng)脹(zhang)(zhang)節(jie)的安裝示意圖(tu)如圖(tu)3-16所(suo)示。管道(dao)(dao)呈(cheng)Z形，補償器可(ke)吸收拉桿之間(jian)管道(dao)(dao)的軸(zhou)向膨(peng)脹(zhang)(zhang)量，拉桿承(cheng)受內壓(ya)推力，兩側管道(dao)(dao)的膨(peng)脹(zhang)(zhang)使補償器產生橫向位移，兩個膨(peng)脹(zhang)(zhang)節(jie)均產生角位移。
③. 單式鉸鏈型膨脹節
一般將兩個(ge)(ge)或三個(ge)(ge)單式鉸鏈型膨脹(zhang)(zhang)節布(bu)置在一個(ge)(ge)平面內(nei)，如圖3-17所示。工(gong)作時利用(yong)每個(ge)(ge)膨脹(zhang)(zhang)節產(chan)生的(de)角位(wei)移(yi)來吸收管道的(de)熱(re)膨脹(zhang)(zhang)。這種布(bu)置方法可吸收較大的(de)膨脹(zhang)(zhang)量。
④. 彎(wan)管壓力平衡型膨脹節
能平衡膨脹節(jie)的壓(ya)力(li)推力(li)，可避(bi)免壓(ya)力(li)推力(li)作用(yong)在(zai)(zai)與其連接(jie)的機器管嘴上(shang)，所以在(zai)(zai)與汽輪機、離心壓(ya)縮機等(deng)敏(min)感設備連接(jie)的管道上(shang)應用(yong)較(jiao)多(duo)。安裝示(shi)意(yi)圖(tu)如圖(tu)3-18所示(shi)。
2. 球(qiu)形補償器(qi)
①. 結構及工作原理
球形(xing)補(bu)(bu)償(chang)器的(de)(de)結構如圖(tu)(tu)3-19所示，其(qi)工作原(yuan)理如圖(tu)(tu)3-20(a)所示，球體可以(yi)繞本身(shen)軸線(xian)旋轉(zhuan)［見(jian)圖(tu)(tu)3-20(b)],還可以(yi)向任意(yi)方(fang)向做折曲運動［見(jian)圖(tu)(tu)3-20(c)].利(li)用(yong)球形(xing)補(bu)(bu)償(chang)器的(de)(de)這些特點，可將其(qi)角度位移轉(zhuan)變(bian)為管(guan)道(dao)(dao)的(de)(de)直線(xian)位移來吸收管(guan)道(dao)(dao)的(de)(de)熱(re)膨脹量，在轉(zhuan)變(bian)過程中，為保證管(guan)道(dao)(dao)的(de)(de)直線(xian)性，球形(xing)補(bu)(bu)償(chang)器本身(shen)的(de)(de)角度也(ye)需要給予(yu)補(bu)(bu)償(chang)，因(yin)此，必須要兩個或三個組成一組來使用(yong)，單個球形(xing)補(bu)(bu)償(chang)器是(shi)不(bu)能(neng)吸收直線(xian)位移的(de)(de)［見(jian)圖(tu)(tu)3-20(d)]。
球(qiu)形(xing)補償(chang)器的(de)三個重要參(can)數(shu)指標是：球(qiu)心距(ju)R、折曲(qu)角0和(he)位移量Δ.θ的(de)大小由(you)制(zhi)造廠提供，與結構尺寸(cun)有關，國內(nei)產品一(yi)般(ban)為(wei)30°,國外(wai)產品有30°、15°等(deng)多種形(xing)式，其余兩(liang)項R和(he)Δ由(you)設計確定。
②. 使用場合
a. 適用范圍 公(gong)稱(cheng)壓力PN≤1.6MPa;設計溫度(du)T≤350℃;公(gong)稱(cheng)尺寸DN50~600mm.
b. 適用于輸送非易燃和無毒的(de)(de)熱(re)(re)介質(zhi)管道，如蒸汽(qi)、熱(re)(re)水、凝結水、熱(re)(re)油、熱(re)(re)空氣(qi)等管道。有腐蝕性熱(re)(re)介質(zhi)的(de)(de)管道不宜使用。
c. 球(qiu)形補償(chang)(chang)器的補償(chang)(chang)量大，最適合(he)在(zai)廠際之間或區域(yu)性的較長距(ju)離的熱管道(dao)(dao)上(shang)使用(yong)。由(you)于(yu)采(cai)用(yong)球(qiu)形補償(chang)(chang)器比U形膨脹彎(wan)管少用(yong)很(hen)多彎(wan)頭(tou)，故也適用(yong)于(yu)對壓力降有要(yao)求的熱管道(dao)(dao)。另外，還可以使用(yong)在(zai)對接管載荷有限制的設備(bei)進出口(kou)管道(dao)(dao)上(shang)。
d. 球形補(bu)償器可吸收布置在建筑物或儲(chu)罐之間的(de)管(guan)道(dao)因(yin)基礎下沉而引起(qi)的(de)相對位移。
e. 球形補償器可以緩(huan)解或(huo)消除(chu)管道系統因地(di)震(zhen)而產(chan)生的超載應力。
③. 布(bu)置方式和補償量計算
a. 直線管道固(gu)定支架間(jian) 距如(ru)表(biao)3-17所示。
b. 水平Z形布置 有(you)單(dan)向式、雙向式和三球(qiu)式三種布置方式。
· 單向(xiang)式(shi)
單向式(shi)包括單向A式(shi)和(he)單向B式(shi)2種，如(ru)圖3-21所示(shi)。
單向(xiang)A式(shi)的主要(yao)特征(zheng)是(shi)球形(xing)補(bu)償器設在(zai)兩個固定支(zhi)架(jia)之(zhi)間，離其中一個固定支(zhi)架(jia)（A點）很(hen)近，離另一個固定支(zhi)架(jia)（B點）較(jiao)遠，這種(zhong)布(bu)置(zhi)只吸收一個方向(xiang)的位移。一般(ban)受到(dao)地形(xing)位置(zhi)限制時用此布(bu)置(zhi)方式(shi)。
單(dan)向(xiang)B式(shi)的(de)特征與單(dan)向(xiang)A式(shi)相(xiang)同，用在無(wu)位置(zhi)限(xian)制(zhi)的(de)條件下(xia)，與單(dan)向(xiang)A式(shi)不(bu)(bu)同之處是(shi)熱(re)脹終止(zhi)位置(zhi)不(bu)(bu)同，以及固(gu)定(ding)支(zhi)(zhi)架(jia)1與②承(cheng)受推力大(da)小不(bu)(bu)同，如固(gu)定(ding)支(zhi)(zhi)架(jia)②與支(zhi)(zhi)架(jia)1相(xiang)比，需要考慮(lv)管(guan)道載荷的(de)摩擦力，而固(gu)定(ding)支(zhi)(zhi)架(jia)1與支(zhi)(zhi)架(jia)②相(xiang)比，需要考慮(lv)球(qiu)形補償器動作(zuo)時的(de)側向(xiang)力。
單向式(shi)的(de)位移量Δ、折曲角(jiao)0、球心距R間關系為： 單向A式(shi) Δ=Rsin (0/2) （3-1) 、 單向B式(shi)Δ=2Rsin(0/2) （3-2)
· 雙(shuang)向式(shi)
球形補償(chang)器設在兩(liang)固定支架中間，而且離(li)兩(liang)支架距(ju)離(li)都較遠時(shi)，能吸收兩(liang)個方(fang)向的位移（見(jian)圖3-22),位移量Δ=Δ1+Δ2.布(bu)置時(shi)盡(jin)量使(shi)兩(liang)邊管(guan)段(duan)（A段(duan)、B段(duan)）相等(deng)，其(qi)Δ、R、0的關系(xi)式為(wei)： Δ1+Δ2=2Rsin(0/2)（3-3)
· 三球式
當整條管道不能吸(xi)收橫(heng)向位(wei)(wei)移時，應采(cai)用此種形式(shi)，用第三個球吸(xi)收管道的橫(heng)向位(wei)(wei)移（見圖3-23).位(wei)(wei)移Δ、球心距R、折曲(qu)角0的關系式(shi)為(wei)Δ=2Rsin(0/2)（3-4)
圖3-23中R1、β和(he)橫向位移Δ:的(de)關系式為 Δ=Risinβ（3-5)式中，β不能大于球形補(bu)償(chang)器全折(zhe)曲角8的(de)一半。
c. 水(shui)平L形(xing)布置(zhi)
水平L形布置可吸收兩段相互垂直管道的位移（見圖3-24)。
確定(ding)兩(liang)球中(zhong)心(xin)間距R1、R2時，先用直(zhi)線段(duan)L1、L2按式（3-6)計算(suan)位移量Δ1、Δ2,兩(liang)者(zhe)中(zhong)的較大值Δ,并按式（3-1)計算(suan)出(chu)中(zhong)心(xin)距，而后(hou)將求(qiu)出(chu)的數值乘以(yi)1.5,作為(wei)＝R2的數值，然后(hou)用R1、R2按式（3-7)及(ji)(ji)實(shi)際的Δ1及(ji)(ji)Δ2重(zhong)新(xin)求(qiu)出(chu)01和02.檢查01＋02=0:是(shi)否(fou)超過(guo)(guo)制(zhi)造廠規定(ding)的折曲角(jiao)（03<30°),如果超過(guo)(guo)則(ze)需加長球心(xin)距，然后(hou)重(zhong)計算(suan)。
Δ=αtL(t1-to)（3-6)
中Δ 熱膨(peng)脹量，mm;
L-管道直線長度(du)，mm;
r1-管道工作溫(wen)度，℃;
t0-管道安裝溫度，℃;
Q:-管材在工作溫(wen)度下(xia)的線脹系數，1/℃.
必須注意，實際R1、R2值(zhi)要比計算值(zhi)大，以保證(zheng)留有(you)余量。
d. 垂直面布置
· 垂直Z形(xing)布置的原理及計(ji)算(suan)式(shi)與水平Z形(xing)布置相(xiang)同(tong)（見圖(tu)3-25).
· 兩(liang)組球(qiu)形(xing)補償器組合垂直布置 利用球(qiu)形(xing)補償器的(de)工作原理(li)，在實(shi)際(ji)應用中，將訴組布置在一(yi)起(qi)，既方便支架(jia)的(de)布置，又整齊美觀。但要注意，兩(liang)組中間一(yi)定(ding)(ding)要用固定(ding)(ding)支架(jia)（見圖3-26).
e. 球形補償(chang)器附近的彎頭至第(di)一個(ge)導向(xiang)支(zhi)架的距離
例如圖3-21(a)及圖3-25中彎頭E點至導向支(zhi)架G點的(de)(de)距離，應滿足柔性的(de)(de)要(yao)(yao)求。球形補(bu)償(chang)器前(qian)后兩個彎頭之間的(de)(de)管長(chang)的(de)(de)熱膨脹量(liang)設為Δ,可作為EG段柔性計算依據(ju)，但由于(yu)球形補(bu)償(chang)器在(zai)位移過程中，其軌跡是(shi)弧線，所以在(zai)球形補(bu)償(chang)器附近(jin)將產生偏移量(liang)y,當(dang)球形補(bu)償(chang)器從中心線向一個方(fang)向擺動時(shi),對于(yu)垂(chui)直Z形布置(zhi)的(de)(de)管道（見圖3-25),如有(you)特殊要(yao)(yao)求，必須在(zai)彎頭E點附近(jin)設置(zhi)支(zhi)架時(shi)，應采用(yong)彈(dan)簧支(zhi)架。
f. 在(zai)分支管(guan)上布置(zhi)球形補償器(qi)
當(dang)主管與(yu)分支(zhi)管在同一平(ping)面時(shi)，可(ke)按圖(tu)(tu)3-27所示方(fang)式(shi)布(bu)(bu)(bu)置。當(dang)主管有較大位(wei)移時(shi)，可(ke)按圖(tu)(tu)3-27(a)布(bu)(bu)(bu)置。帶球形(xing)補償器(qi)的(de)(de)分支(zhi)管的(de)(de)x長度應(ying)滿足前面第e點所述位(wei)移ΔR的(de)(de)要求。當(dang)不能布(bu)(bu)(bu)置成吸(xi)收段“x”時(shi)，可(ke)采用(yong)三球布(bu)(bu)(bu)置方(fang)式(shi)，見圖(tu)(tu)3-27(b),其計算方(fang)法與(yu)L形(xing)布(bu)(bu)(bu)置計算相(xiang)同。
④. 反作用力計算
球形補償器轉(zhuan)動力矩M引起的反作用力F1可(ke)按下式計算(suan)
F1=2M/R1（3-12)
式中 F1-轉(zhuan)動力矩而(er)引起的(de)反作用力，N;
M-球形補償器(qi)轉(zhuan)動力矩（由制造廠提供），N·m;
R1-球心距在作(zuo)用面上的(de)投影長度，m,R1=Rcos(0/2)(當(dang)0小于30°時(shi)，可(ke)取R1~R).
3. 套筒(tong)式補(bu)償(chang)器（填料函式管道(dao)伸縮節(jie)）
①. 主要結(jie)構類型
a. 重(zhong)載(zai)套筒式補償器
其(qi)內(nei)部(bu)沒有內(nei)壓平(ping)衡結構，端部(bu)固定(ding)點(dian)需(xu)承受彎管或閥門、盲板的內(nei)壓推力（見圖3-28).
b. 減載套(tao)筒式補(bu)償(chang)器
其內(nei)部有(you)內(nei)壓(ya)平衡結構，端部的(de)(de)彎管(guan)或(huo)閥門、盲板的(de)(de)內(nei)壓(ya)推(tui)力(li)與補償器內(nei)部構件的(de)(de)軸向承壓(ya)面(mian)所受的(de)(de)內(nei)壓(ya)推(tui)力(li)平衡，所以(yi)(yi)固定支架可以(yi)(yi)不考慮內(nei)壓(ya)推(tui)力(li)的(de)(de)作用(yong)(yong)，但目前尚無定型產品和標(biao)準(zhun)，選用(yong)(yong)時要慎重。
②. 使(shi)用(yong)場合
a. 適用(yong)范圍(wei)。公稱(cheng)壓(ya)力：PN≤2.5MPa;工作(zuo)溫度(du)≤200℃;公稱(cheng)尺寸(cun)：DN50~600mm;輸送介質：蒸(zheng)汽、水。
b. 這種補(bu)償(chang)器(qi)有易泄漏和(he)軸(zhou)向推力(li)較大的(de)缺點，一般(ban)很少選(xuan)用，尤(you)其在(zai)裝置內或(huo)寒冷地(di)區更不(bu)能選(xuan)用這種補(bu)償(chang)器(qi)。在(zai)裝置外、廠區內或(huo)廠際之間的(de)熱(re)管道上，在(zai)布置U形(xing)膨脹(zhang)彎管受(shou)空間位置限制時可(ke)以選(xuan)用，但盡量少用。
③. 布置方式
套筒式補(bu)償器只能用于直線熱管(guan)道上吸(xi)收熱伸(shen)長(chang)，不能用于彎管(guan)和空(kong)間管(guan)系(xi)。
套筒式補(bu)償(chang)(chang)器(qi)兩邊直管端點(dian)（根據補(bu)償(chang)(chang)器(qi)的補(bu)償(chang)(chang)能(neng)力計算固定點(dian)的位(wei)置(zhi)），必須(xu)設(she)置(zhi)固定架(jia)。導(dao)向支架(jia)布置(zhi)要求和波(bo)紋(wen)管膨脹節的布置(zhi)要求相(xiang)同。
