旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器在架空管道中的應(yīng)用
牡丹江熱力設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 吳春明 蘇云國(guó)
【摘 要】本文通過對(duì)架空管道安裝套筒式補(bǔ)償器與安裝旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器固定支架的受力分析，針對(duì)補(bǔ)償器的選型問題進(jìn)行了探討，供廣大供熱科技人員參考。
【關(guān)鍵詞】補(bǔ)償器 固定支架 盲板力 供熱管道安裝投運(yùn)后，由于管道被熱媒加熱引起管道受熱伸長(zhǎng)，所以說應(yīng)采取措施補(bǔ)償該管道的熱伸長(zhǎng)。補(bǔ)償方式主要有以下幾種：如自然補(bǔ)償、套管式補(bǔ)償器、波紋管補(bǔ)償器、方形或球形補(bǔ)償器等。本文主要論述目前常用的套筒式補(bǔ)償器和新興的旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器在工程造價(jià)、運(yùn)行安全性的對(duì)比。
一、套筒式補(bǔ)償器簡(jiǎn)介：是一種適用于直線鋪設(shè)管道的補(bǔ)償器，用以補(bǔ)償固定支架之間管道的熱伸長(zhǎng)。 對(duì)于采用套筒式補(bǔ)償器的管道，固定支架所受到的推力，是由下列幾方面產(chǎn)生的。 （1）由于滑動(dòng)支架上摩擦力而產(chǎn)生的水平推力Pg·m Pg·m=μqL
式中q－計(jì)算管段單位長(zhǎng)度的重量，本文?準(zhǔn)529×7巖棉保溫，充水 q＝367.92×9.8N·m；
μ－摩擦系數(shù)，鋼與鋼μ＝0.3，鋼與聚四氟板μ＝0.1； L－計(jì)算管段長(zhǎng)度，m；
（2） 由于套筒式補(bǔ)償器摩擦力而產(chǎn)生的推力；
（3）由于不平衡內(nèi)壓力而產(chǎn)生的水平推力，如在固定支架兩端設(shè)置套筒式補(bǔ)償器，但其管徑不同；或在固定支架兩端管段之一端，設(shè)置閥門、堵板、彎管，而在另一端設(shè)置套筒式補(bǔ)償器；當(dāng)管道進(jìn)行水壓試驗(yàn)或運(yùn)行時(shí)，將出現(xiàn)管道的不平衡軸向力。
二、GSJ-V型系列旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器簡(jiǎn)介：是由旋轉(zhuǎn)筒和彎頭組成，其組合方式有Π型、Ω型，其補(bǔ)償原理是通過成雙旋轉(zhuǎn)筒和L力臂形成力偶，使大小相等、方向相反的一對(duì)力，由力臂回繞著Z軸中心旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到力偶兩邊管道產(chǎn)生的熱伸長(zhǎng)量的吸收。 Π型組合旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器：如圖1。 Ω型組合旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器：如圖2。
對(duì)于采用GSJ-V型系列旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器，固定支架所受到的推力，是由下列幾方面產(chǎn)生的: （1）由于滑動(dòng)支架上摩擦力的而產(chǎn)生的水平推力Pg·m （2）由于旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器摩擦力而產(chǎn)生的推力
下面以某工程的蒸汽管網(wǎng)舉例對(duì)比一下，采用套筒式補(bǔ)償器與旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器的土建工程造價(jià)：
該蒸汽管網(wǎng)全長(zhǎng)660m，如圖3所示，管徑DN500，工作壓力1.0MPa，溫度220℃，固定支架設(shè)置如圖，滑動(dòng)支架每15米設(shè)置一個(gè)，每個(gè)補(bǔ)償器設(shè)置2個(gè)導(dǎo)向支架，滑動(dòng)、導(dǎo)向支架共46個(gè)。 采用套筒式補(bǔ)償器固定支架G2、G3、G5、G6，受力F F=Pc＋Pg·m1－0.7［PX＋Pg·m2×（L2＋L3/2）］＋P×f
＝Pc＋μqL1-0.7［A×α×E×I×△t/L短臂2×105+μqcosα×（L2+L3/2）］＋P×f
＝31×103＋0.1×367.92×9.8×100-0.7［12×0.012×1.905×105×39106×210/102×105＋0.1×367.92×0.707×（10＋10/2）］＋160×3.14×51.52/4
＝31000＋36056－0.7×（22528+3902）＋333122＝381677N≈38.2T 固定支架G9F9＝Pc＋Pg·m1＋P×f＝31000＋0.1×367.92×9.8×120＋333122 ＝407389N≈40.8T
固定支架G8受力F8＝Pc1＋Pg·m1－0.7Pc2＝Pc1＋μqL－0.7Pc2＝31×103＋0.1×367.92×9.8×120－0.7×31×103＝52567N≈5.3T
固定支架G4、G7受力F4、7＝Pc－0.7Pc＝31×103－0.7×31×103 ＝9300N≈1T
式中：F—固定支架承受的水平推力，N； Pc—套筒式補(bǔ)償器的摩擦力，N； Pg·m—滑動(dòng)支架產(chǎn)生的摩擦力，N； Px—彎管的彈性力，N；
A—系數(shù)A=3（n3＋4n2＋3）/n（n+1）， n＝L長(zhǎng)臂/L短臂； E—彈性模數(shù)，MPa； I—管子的慣性矩，cm4； P—水壓試驗(yàn)壓力，1.6MPa； f—管道的內(nèi)截面積，cm2。
由以上計(jì)算可得出，只要有盲板力Pf＝P×F，固定支架受力就非常大。 管道安裝旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器如圖4
安裝旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的管道固定支架承受的水平推力： 固定支架G3受力F＝Pg·m＋M/Lcos（α/2） ＝0.1×367.92×9.8×180＋48830÷（2×0.974） ＝64901＋25066＝89967N≈9T
式中：M—旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的旋轉(zhuǎn)摩擦力矩，N·m； L—∏組合旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器的力偶臂，m；
α—轉(zhuǎn)角，sin（α/2）＝0.012×180×（220－10）/L
由以上計(jì)算得出，安裝套筒式補(bǔ)償器回繞管道盲板力占支架承受水平推力的33.3/40.8＝82％，如果能消除盲板力，固定支架將做的很小，工程造價(jià)將大幅減少。而安裝轉(zhuǎn)向補(bǔ)償器的管道消除了盲板力，固定支架承受水平推力只有9T，兩者之比為9/40.8＝22.0％ 下面計(jì)算固定支架的混凝土造價(jià)： 50T固定支架混凝土體積：
V＝1×5.4×2＋2.5×0.8×0.8＋1×0.8×0.8＋1.5×0.8×0.8＋2.2×0.8×0.5＝10.8＋1.6＋0.64＋0.96＋0.88＝14.88m3 10T固定支架混凝土體積：
V＝0.6×2.9×2＋0.6×0.5×0.8＋1.7×1.2×0.8＝3.48＋0.24＋1.63＝5.35m3 滑動(dòng)、導(dǎo)向支架混凝土體積：
V＝0.75×1.5×1.5＋1.25×0.4×0.4＋0.5×0.4×0.4＝1.67＋0.2＋0.08＝1.95m3
由以上計(jì)算可得出，選用旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器的管道比選用套筒式補(bǔ)償器的管道工程土建造價(jià)減少24％（1－13.44/17.61＝24％）。 安全性對(duì)比：
1.由于套筒式補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，安裝時(shí)對(duì)管道不同軸度≯1%，需“嚴(yán)格找中”以防止運(yùn)行時(shí)摩擦力過大，發(fā)生泄漏甚至卡死，因此需額外增加導(dǎo)向支架。而旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器不存在“找中”的問題，因而不必額外增加導(dǎo)向支架。
2.由于套筒式補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，安裝時(shí)對(duì)管道不同軸度≯1%，需“嚴(yán)格找中”以防止運(yùn)行時(shí)摩擦力過大，發(fā)生泄漏甚至卡死；而旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器不存在“找中”的問題；
3.套筒式補(bǔ)償器裸露的高光潔度滑動(dòng)表面，易碰傷和被腐蝕，因此易發(fā)生泄漏；旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器的旋轉(zhuǎn)筒內(nèi)裝設(shè)了止退圈和減摩、定心彈子，并采用了合理的密封面結(jié)構(gòu)，從而使密封材料和密封面的磨損極為輕微，可保證在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不發(fā)生泄漏大大增加了工作的安全性、可靠性；
通過以上的計(jì)算分析，我們可以得出旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器跟套筒式補(bǔ)償器相比，具有大幅降低工程土建造價(jià)的優(yōu)勢(shì)，而且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，無需維修，克服了套筒式補(bǔ)償器易泄漏，需停產(chǎn)維修等弊病。所以說旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器應(yīng)該在架空管道中推廣使用。 參考文獻(xiàn)
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