為了防止管(guan)(guan)道熱膨脹產生的(de)(de)破壞作用(yong)，在(zai)管(guan)(guan)道設(she)計中(zhong)，應(ying)當(dang)對(dui)高溫管(guan)(guan)道進行(xing)熱補(bu)償(chang)設(she)計。管(guan)(guan)道的(de)(de)熱補(bu)償(chang)方(fang)法(fa)有兩種(zhong)：一種(zhong)是利用(yong)管(guan)(guan)道自身的(de)(de)柔性吸收其位移變(bian)形的(de)(de)自然補(bu)償(chang)法(fa)；另一種(zhong)是利用(yong)在(zai)管(guan)(guan)道中(zhong)設(she)置適當(dang)形式的(de)(de)補(bu)償(chang)器對(dui)管(guan)(guan)道進行(xing)補(bu)償(chang)的(de)(de)方(fang)法(fa)。
管(guan)(guan)(guan)道在現場的(de)走向是(shi)根據工藝設備的(de)布(bu)置情(qing)況決(jue)定(ding)的(de)。利用(yong)改變(bian)管(guan)(guan)(guan)道走向、調整支(zhi)撐點的(de)位置或(huo)(huo)改變(bian)支(zhi)吊架的(de)形(xing)式，增加(jia)(jia)管(guan)(guan)(guan)道自身的(de)柔性，以(yi)補(bu)(bu)償(chang)其(qi)熱膨脹和端(duan)點附加(jia)(jia)位移的(de)辦法(fa)稱為管(guan)(guan)(guan)道自然(ran)補(bu)(bu)償(chang)。例如在管(guan)(guan)(guan)道中布(bu)置適(shi)當的(de)L形(xing)、Z形(xing)或(huo)(huo)I形(xing)管(guan)(guan)(guan)段(duan)，即(ji)可(ke)有效地增加(jia)(jia)管(guan)(guan)(guan)道的(de)柔性。這(zhe)種補(bu)(bu)償(chang)辦法(fa)結(jie)構簡(jian)單、運行(xing)可(ke)靠、投資少，所以(yi)被廣泛采用(yong)。
1. 金(jin)屬波紋管膨脹節
隨著(zhu)大(da)直徑高(gao)溫管(guan)道的(de)增(zeng)多(duo)和金屬(shu)波(bo)紋(wen)管(guan)膨(peng)脹(zhang)(zhang)節制(zhi)造(zao)技術的(de)提高(gao)，近(jin)年來(lai)金屬(shu)波(bo)紋(wen)管(guan)膨(peng)脹(zhang)(zhang)節在壓力管(guan)道中得到了廣泛應(ying)用(yong)。此種(zhong)補(bu)(bu)償器制(zhi)造(zao)技術較(jiao)為復(fu)雜，價格高(gao)。一般采用(yong)0.5~3mm薄不銹鋼板(ban)制(zhi)造(zao)，耐壓低，補(bu)(bu)償能力大(da)，適(shi)用(yong)于低壓大(da)直徑高(gao)溫管(guan)道。但應(ying)當(dang)指出(chu)，在強度上它是管(guan)道中的(de)薄弱環節，與自然補(bu)(bu)償比較(jiao)可(ke)靠性(xing)差，應(ying)正(zheng)確選(xuan)用(yong)與安裝。目前此種(zhong)補(bu)(bu)償器尚(shang)無國家(jia)標(biao)準(zhun)(zhun)，各企業標(biao)準(zhun)(zhun)的(de)波(bo)紋(wen)管(guan)參數(shu)尚(shang)不統一，但其制(zhi)造(zao)技術條(tiao)件(jian)已(yi)有國家(jia)標(biao)準(zhun)(zhun)GB/T 12777《金屬(shu)波(bo)紋(wen)管(guan)膨(peng)脹(zhang)(zhang)節制(zhi)造(zao)技術條(tiao)件(jian)》。
根據(ju)金(jin)屬波紋管膨(peng)脹節的(de)結(jie)構和功能，其基(ji)本(ben)形式可分十大類。如表3-16所(suo)示(shi)。
壓力管道常(chang)用(yong)的金屬波紋管膨脹節主要(yao)有單式軸向型(xing)、復式拉桿型(xing)、單式鉸(jiao)鏈(lian)型(xing)及彎管壓力平衡型(xing)等幾種。
①. 單式軸(zhou)向型膨脹節
單式(shi)軸(zhou)向(xiang)(xiang)(xiang)型膨脹節(jie)結構簡單、價格低，主(zhu)要用(yong)于(yu)吸(xi)收軸(zhou)向(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)移，在一定條件下可吸(xi)收少量角(jiao)位(wei)移和(he)軸(zhou)向(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)移。用(yong)于(yu)吸(xi)收軸(zhou)向(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)移的單式(shi)軸(zhou)向(xiang)(xiang)(xiang)型膨脹節(jie)的典型布置如圖(tu) 3-15 所示。
單式(shi)軸向型膨脹節屬于無約束型波紋膨脹節，不能承受波紋管壓力(li)推力(li)。選用時應(ying)注(zhu)意(yi)下列問題。
a. 兩固定支座之間的管(guan)道上只能布置(zhi)一個該型膨(peng)脹(zhang)節。
b. 固(gu)定支(zhi)座(zuo)必須有足夠的強(qiang)度(du)，以承(cheng)受波紋管(guan)壓力(li)推(tui)力(li)。
c. 對(dui)管(guan)(guan)道必須(xu)進行嚴(yan)格保護，尤其是(shi)靠近波紋管(guan)(guan)膨(peng)(peng)脹(zhang)節的部(bu)位(wei)應設置導(dao)向架，第(di)一個導(dao)向支架與膨(peng)(peng)脹(zhang)節的距離(li)應小于4DN,第(di)二個導(dao)向支架與第(di)一個導(dao)向支架的距離(li)應不大于14DN,以防止管(guan)(guan)道有彎曲或徑向偏移造成膨(peng)(peng)脹(zhang)節破壞。
②. 復式拉桿型膨脹節
復式拉桿(gan)(gan)型膨脹節的安裝示意圖(tu)如圖(tu)3-16所示。管道(dao)呈(cheng)Z形，補(bu)償(chang)器可吸(xi)收拉桿(gan)(gan)之間(jian)管道(dao)的軸向(xiang)(xiang)膨脹量(liang)，拉桿(gan)(gan)承受內壓推力，兩側管道(dao)的膨脹使補(bu)償(chang)器產生(sheng)橫向(xiang)(xiang)位(wei)移(yi)，兩個(ge)膨脹節均產生(sheng)角位(wei)移(yi)。
③. 單式(shi)鉸鏈型膨脹節
一般將兩個(ge)(ge)或三個(ge)(ge)單式(shi)鉸鏈型(xing)膨(peng)(peng)脹(zhang)(zhang)節布置在一個(ge)(ge)平面(mian)內，如(ru)圖3-17所示。工(gong)作時(shi)利用每個(ge)(ge)膨(peng)(peng)脹(zhang)(zhang)節產生的(de)角位移來(lai)吸收管道的(de)熱膨(peng)(peng)脹(zhang)(zhang)。這(zhe)種布置方法(fa)可(ke)吸收較(jiao)大的(de)膨(peng)(peng)脹(zhang)(zhang)量。
④. 彎管壓力平衡型膨脹節(jie)
能平衡膨脹節的壓力(li)推力(li)，可避免壓力(li)推力(li)作用在(zai)與(yu)其(qi)連接(jie)的機(ji)器(qi)管嘴上，所以在(zai)與(yu)汽輪機(ji)、離心(xin)壓縮機(ji)等敏感(gan)設(she)備連接(jie)的管道上應用較多。安(an)裝示意圖(tu)如圖(tu)3-18所示。
2. 球形補償器
①. 結構及(ji)工作原理
球(qiu)形(xing)補償(chang)器(qi)的結構如圖3-19所示(shi)，其(qi)工(gong)作原理(li)如圖3-20(a)所示(shi)，球(qiu)體可(ke)以繞本(ben)身(shen)軸(zhou)線(xian)(xian)旋(xuan)轉(zhuan)［見圖3-20(b)],還可(ke)以向(xiang)任意方向(xiang)做(zuo)折曲運(yun)動［見圖3-20(c)].利用(yong)球(qiu)形(xing)補償(chang)器(qi)的這些(xie)特點，可(ke)將其(qi)角度位(wei)移轉(zhuan)變為(wei)管(guan)道(dao)(dao)的直線(xian)(xian)位(wei)移來(lai)吸(xi)收管(guan)道(dao)(dao)的熱膨脹量(liang)，在轉(zhuan)變過程中，為(wei)保證管(guan)道(dao)(dao)的直線(xian)(xian)性，球(qiu)形(xing)補償(chang)器(qi)本(ben)身(shen)的角度也需要給予(yu)補償(chang)，因此，必須要兩個(ge)或三個(ge)組成一(yi)組來(lai)使用(yong)，單個(ge)球(qiu)形(xing)補償(chang)器(qi)是不能吸(xi)收直線(xian)(xian)位(wei)移的［見圖3-20(d)]。
球形補(bu)償器的三(san)個重要(yao)參數指標是：球心距R、折曲角0和(he)位移量Δ.θ的大小由制(zhi)造廠提供(gong)，與(yu)結構尺寸有(you)關，國內產品一般為30°,國外產品有(you)30°、15°等(deng)多種形式，其余兩項R和(he)Δ由設計確定。
②. 使用場(chang)合
a. 適(shi)用(yong)范圍 公稱壓力PN≤1.6MPa;設計溫度(du)T≤350℃;公稱尺寸DN50~600mm.
b. 適用于輸(shu)送(song)非(fei)易燃(ran)和無毒的(de)熱(re)介質管道，如(ru)蒸汽、熱(re)水(shui)、凝(ning)結水(shui)、熱(re)油、熱(re)空氣等管道。有(you)腐蝕性熱(re)介質的(de)管道不(bu)宜使(shi)用。
c. 球形(xing)補償(chang)器的(de)補償(chang)量大，最適(shi)合在廠際之(zhi)間或區域性的(de)較長距離的(de)熱管(guan)道上使用(yong)(yong)。由于采用(yong)(yong)球形(xing)補償(chang)器比U形(xing)膨脹(zhang)彎管(guan)少用(yong)(yong)很多(duo)彎頭，故也適(shi)用(yong)(yong)于對壓力降有要(yao)求的(de)熱管(guan)道。另(ling)外，還(huan)可以使用(yong)(yong)在對接管(guan)載荷有限(xian)制的(de)設備進出(chu)口管(guan)道上。
d. 球形補償(chang)器可吸(xi)收布置在(zai)建(jian)筑物或儲罐之間的管道因(yin)基礎下沉(chen)而引起的相對(dui)位(wei)移。
e. 球形(xing)補償(chang)器可以緩解或(huo)消除管道系統因地震而產生的超載應(ying)力。
③. 布置方(fang)式和補償量計算
a. 直線管道固(gu)定支(zhi)架間 距如表3-17所(suo)示。
b. 水平(ping)Z形布(bu)置(zhi) 有單(dan)向式、雙(shuang)向式和三(san)球式三(san)種布(bu)置(zhi)方式。
· 單向(xiang)式
單(dan)向(xiang)式包括單(dan)向(xiang)A式和單(dan)向(xiang)B式2種，如圖3-21所示。
單向A式(shi)的主要特征(zheng)是(shi)球形補償器設在兩(liang)個(ge)(ge)固定支架(jia)之間，離其中一個(ge)(ge)固定支架(jia)（A點(dian)）很近，離另(ling)一個(ge)(ge)固定支架(jia)（B點(dian)）較遠(yuan)，這種布(bu)置(zhi)只吸收一個(ge)(ge)方向的位移。一般(ban)受到地形位置(zhi)限制時(shi)用此布(bu)置(zhi)方式(shi)。
單(dan)向(xiang)(xiang)B式的特(te)征與(yu)(yu)單(dan)向(xiang)(xiang)A式相同，用(yong)在無位置(zhi)限制的條件下，與(yu)(yu)單(dan)向(xiang)(xiang)A式不(bu)同之處(chu)是熱脹終(zhong)止位置(zhi)不(bu)同，以及(ji)固(gu)定(ding)(ding)支架(jia)(jia)1與(yu)(yu)②承(cheng)受推力大小不(bu)同，如(ru)固(gu)定(ding)(ding)支架(jia)(jia)②與(yu)(yu)支架(jia)(jia)1相比，需(xu)要考慮管道(dao)載荷的摩擦力，而固(gu)定(ding)(ding)支架(jia)(jia)1與(yu)(yu)支架(jia)(jia)②相比，需(xu)要考慮球形補償器動(dong)作時的側(ce)向(xiang)(xiang)力。
單向式(shi)(shi)的位移量Δ、折曲(qu)角0、球心(xin)距R間(jian)關系為： 單向A式(shi)(shi) Δ=Rsin (0/2) （3-1) 、 單向B式(shi)(shi)Δ=2Rsin(0/2) （3-2)
· 雙向式
球形補償器設(she)在兩(liang)固定支(zhi)(zhi)架(jia)中間，而且離兩(liang)支(zhi)(zhi)架(jia)距離都較遠時，能吸(xi)收兩(liang)個方(fang)向(xiang)的(de)位(wei)移（見圖3-22),位(wei)移量Δ=Δ1+Δ2.布(bu)置時盡量使(shi)兩(liang)邊(bian)管段(duan)(duan)（A段(duan)(duan)、B段(duan)(duan)）相等，其(qi)Δ、R、0的(de)關系式為： Δ1+Δ2=2Rsin(0/2)（3-3)
· 三球式
當整條管(guan)(guan)道不能吸收橫向(xiang)(xiang)位(wei)移(yi)(yi)時(shi)，應(ying)采用此種形式，用第(di)三(san)個(ge)球吸收管(guan)(guan)道的橫向(xiang)(xiang)位(wei)移(yi)(yi)（見圖3-23).位(wei)移(yi)(yi)Δ、球心距R、折曲角0的關系式為Δ=2Rsin(0/2)（3-4)
圖3-23中R1、β和橫向位移Δ:的關系式(shi)為 Δ=Risinβ（3-5)式(shi)中，β不能大于球(qiu)形補償器全折曲角8的一半(ban)。
c. 水平L形布置
水平L形布(bu)置可吸收(shou)兩段相互垂直管道的(de)位移（見(jian)圖3-24)。
確定(ding)兩球(qiu)中(zhong)心(xin)間距R1、R2時，先用直線(xian)段L1、L2按(an)式（3-6)計(ji)算位移量Δ1、Δ2,兩者中(zhong)的(de)(de)較大值(zhi)Δ,并按(an)式（3-1)計(ji)算出(chu)中(zhong)心(xin)距，而后(hou)將求出(chu)的(de)(de)數值(zhi)乘(cheng)以1.5,作為＝R2的(de)(de)數值(zhi)，然(ran)后(hou)用R1、R2按(an)式（3-7)及(ji)實際的(de)(de)Δ1及(ji)Δ2重新求出(chu)01和(he)02.檢查01＋02=0:是否(fou)超過制造廠規定(ding)的(de)(de)折(zhe)曲(qu)角(jiao)（03<30°),如果超過則需加(jia)長球(qiu)心(xin)距，然(ran)后(hou)重計(ji)算。
Δ=αtL(t1-to)（3-6)
中Δ 熱(re)膨脹量，mm;
L-管道直線長度，mm;
r1-管道(dao)工作溫度，℃;
t0-管(guan)道(dao)安裝溫度，℃;
Q:-管材在工作溫度下的線脹系數，1/℃.
必(bi)須注(zhu)意，實(shi)際R1、R2值要比計算值大，以(yi)保證留有余量。
d. 垂直(zhi)面布(bu)置
· 垂直Z形(xing)布置(zhi)的原(yuan)理(li)及計算(suan)式與(yu)水平Z形(xing)布置(zhi)相(xiang)同（見(jian)圖3-25).
· 兩組(zu)(zu)球(qiu)形補償器組(zu)(zu)合(he)垂直(zhi)布置 利用(yong)球(qiu)形補償器的工作原理，在實(shi)際應用(yong)中，將訴組(zu)(zu)布置在一(yi)起，既方便支(zhi)架(jia)的布置，又整齊美觀。但(dan)要注(zhu)意，兩組(zu)(zu)中間(jian)一(yi)定要用(yong)固定支(zhi)架(jia)（見圖3-26).
e. 球(qiu)形補償器附近的(de)彎頭至(zhi)第(di)一個導向支(zhi)架的(de)距(ju)離
例如圖3-21(a)及圖3-25中(zhong)彎頭(tou)(tou)E點(dian)至導(dao)向(xiang)支(zhi)架(jia)(jia)G點(dian)的(de)距離，應滿足柔(rou)性(xing)的(de)要(yao)求。球形補(bu)償(chang)器前(qian)后兩個(ge)彎頭(tou)(tou)之(zhi)間的(de)管(guan)長的(de)熱膨脹(zhang)量設(she)為Δ,可作為EG段柔(rou)性(xing)計算依據，但由于(yu)(yu)球形補(bu)償(chang)器在位移過程中(zhong)，其軌跡是弧線，所以(yi)在球形補(bu)償(chang)器附近將產生偏移量y,當球形補(bu)償(chang)器從中(zhong)心線向(xiang)一個(ge)方向(xiang)擺動時(shi),對于(yu)(yu)垂直Z形布置(zhi)的(de)管(guan)道（見圖3-25),如有特(te)殊要(yao)求，必(bi)須在彎頭(tou)(tou)E點(dian)附近設(she)置(zhi)支(zhi)架(jia)(jia)時(shi)，應采用彈簧支(zhi)架(jia)(jia)。
f. 在分支管上(shang)布(bu)置球形補償(chang)器(qi)
當(dang)主管(guan)(guan)與分(fen)支管(guan)(guan)在同一平面時，可按圖(tu)3-27所示方式布置(zhi)(zhi)。當(dang)主管(guan)(guan)有較(jiao)大位(wei)(wei)移(yi)時，可按圖(tu)3-27(a)布置(zhi)(zhi)。帶球(qiu)形補(bu)償器的分(fen)支管(guan)(guan)的x長度應滿足前(qian)面第e點所述(shu)位(wei)(wei)移(yi)ΔR的要(yao)求。當(dang)不能(neng)布置(zhi)(zhi)成(cheng)吸收段“x”時，可采用(yong)三球(qiu)布置(zhi)(zhi)方式，見(jian)圖(tu)3-27(b),其(qi)計(ji)算方法與L形布置(zhi)(zhi)計(ji)算相同。
④. 反作用力計算(suan)
球形(xing)補償(chang)器轉動力矩M引起的(de)反作用力F1可按下(xia)式計算
F1=2M/R1（3-12)
式(shi)中 F1-轉動力(li)矩而(er)引起的反作用力(li)，N;
M-球形補償器轉動力矩（由制(zhi)造廠提供），N·m;
R1-球(qiu)心距在作用面(mian)上的(de)投影長(chang)度(du)，m,R1=Rcos(0/2)(當0小于30°時，可取R1~R).
3. 套筒式(shi)補償器（填料函式(shi)管道(dao)伸縮節(jie)）
①. 主要結構(gou)類型(xing)
a. 重載套筒式補(bu)償(chang)器
其內(nei)部沒有內(nei)壓平衡(heng)結構，端部固定(ding)點需承(cheng)受彎(wan)管(guan)或(huo)閥(fa)門、盲(mang)板的內(nei)壓推力(li)（見圖3-28).
b. 減載套(tao)筒(tong)式(shi)補償器(qi)
其內(nei)(nei)部(bu)有內(nei)(nei)壓(ya)(ya)平(ping)衡結構，端部(bu)的(de)(de)(de)(de)彎管(guan)或(huo)閥門、盲板的(de)(de)(de)(de)內(nei)(nei)壓(ya)(ya)推力與(yu)補償器內(nei)(nei)部(bu)構件的(de)(de)(de)(de)軸向承壓(ya)(ya)面(mian)所受的(de)(de)(de)(de)內(nei)(nei)壓(ya)(ya)推力平(ping)衡，所以(yi)固定支架可以(yi)不(bu)考慮內(nei)(nei)壓(ya)(ya)推力的(de)(de)(de)(de)作用，但目前尚無定型產品和(he)標準，選用時要慎重。
②. 使用場合
a. 適用(yong)范圍。公(gong)稱(cheng)(cheng)壓力(li)：PN≤2.5MPa;工作溫(wen)度≤200℃;公(gong)稱(cheng)(cheng)尺寸：DN50~600mm;輸送介質：蒸汽、水。
b. 這(zhe)種補償器有易泄漏和軸(zhou)向推力較大的缺(que)點，一般(ban)很少選用，尤其在裝置內或(huo)寒冷地區更(geng)不能選用這(zhe)種補償器。在裝置外(wai)、廠區內或(huo)廠際之(zhi)間(jian)的熱管(guan)道上，在布(bu)置U形膨脹彎(wan)管(guan)受(shou)空(kong)間(jian)位(wei)置限(xian)制時可以選用，但盡(jin)量少用。
③. 布置(zhi)方式
套(tao)筒式補償器只能用于直線熱管道上吸收(shou)熱伸長，不能用于彎(wan)管和空間管系。
套筒式(shi)補償器(qi)(qi)兩邊直(zhi)管(guan)端點（根據補償器(qi)(qi)的(de)補償能力(li)計(ji)算固(gu)定點的(de)位置(zhi)），必須設(she)置(zhi)固(gu)定架(jia)。導向支(zhi)架(jia)布(bu)置(zhi)要求(qiu)和波紋管(guan)膨脹節的(de)布(bu)置(zhi)要求(qiu)相同。
