摘要：旋转补偿器作为热力管道热膨胀补偿方面的一种补偿器，其因具有补偿量大、安全性能好、密封性能优越、布置方式灵活多样、节约投资等优点而得到了越来越广泛的应用。本文结合我院承担设计的内蒙某目供热管网工程，对旋转补偿器选型、典型布置方式进行分析。
关键词：旋转补偿器；热补偿；推力计算
1、旋转补偿器
1.1 旋转补偿器简介
旋转补偿器是热力管道热膨胀补偿方面的一种新型补偿器。其构造主要有整体密封座、密封压盖、大小头、减磨定心轴承、密封材料、旋转筒体等构件组成，形成相对旋转吸收管道的热位移，从而减少管道的热应力。
1.2 旋转补偿器的工作原理
当补偿器布置于相邻两固定支架中心位置时，见示意图。其两侧的被补偿管道随着输送介质温度的升高，将沿着O点旋转θ角，以吸收管道的热伸长。当补偿点未设置于两固定支架中心位置时，管道伸长时旋转中心O点偏向于较短侧被补偿管道。管道热伸长的始、末点其行程是以O点为圆心的弧线。伴随管道的热伸长，被补偿管道将产生径向移动。补偿量达到1/2△L 时，横向移动达到最大值y。
旋转补偿器运行时，通过成双旋转筒和力臂L形成力偶，使大小相等，方形相反的一对力，由力臂环绕着O点旋转，以达到力偶两侧直段上产生的热膨胀量的吸收。
1.3 旋转补偿器的典型布置方式
（1）同轴等标高直线管道补偿方式（a）
说明：采用该方式组合布置旋转补偿器，应设置中间的固定点。
（2）同轴等标高直线管道补偿方式（b）
说明：在补偿器前后，将直线管道向两侧折弯布置，形成夹角，夹角一般为135°。
（3）直角拐弯管道补偿方式
说明：弯管处固定支座应靠近补偿器装置设置。
（4）非同轴等标高直线管道补偿方式
说明：适用于管道走向错位的地方。
（5）非同轴非等标高直线管道补偿方式
说明：适用于管道有高差且走向错位的地方。
二、工程实例设计分析
现以我院承担设计的内蒙某目供热管网工程为例，对旋转补偿器的选型、计算、及运行中的一些问题进行分析。
2.1工程概况
本工程工艺生产需用蒸汽，蒸汽引自厂区自备电站。蒸汽参数为：压力P=0.8MPa，温度T=280℃，主供汽管道直径DN800，管道长度约900m。蒸汽管道采用架空敷设，敷设于管架上层。
2.2补偿器选型分析
（1）本工程设计中，管架上敷设有公称直径DN100～DN800等不同规格的热力管道及公称直径DN50～DN1400等不同规格的其他工艺、公用管道。考虑到补偿装置设置的便利性，公称直径DN＞200的热力管道均敷设于管架上层。
（2）由于管道采用架空敷设方式，考虑到以下两种原因，本设计不采用波纹补偿器和套筒补偿器。
① 波纹补偿器和套筒补偿器容易泄露,架空敷设事故风险增大。② 波纹补偿器和套筒补偿器的内压力和弹性力非常大，是等公称直径的旋转补偿器旋转推力Fm和方行补偿器弹性力Ff的3～5倍。对于架空管架，其地下混凝土基础和地上钢结构耗材会非常大，土建投资大幅增加。
综合以上两点因素，本设计不采用波纹补偿器和套筒补偿器。
（3）经计算，同等规格（公称直径相等，方形补偿器的外伸臂H和旋转补偿器的力臂L长度一致）下，方形补偿器的弹性力Ff均大于旋转补偿器的旋转推力Fm，且Fm≈0.2～0.3Ff。
考虑到补偿器价格因素，公称直径DN≤350采用方形补偿器，本设计管架宽度6.6m，也能满足公称直径DN≤350的管道设置方形补偿器（自然补偿）的要求。此时其与旋转补偿器相比，土建投资无明显变化。
但当管道公称直径DN＞400时，同等规格自然补偿器相比旋转补偿器，前者会导致土建投资明显增加；随着管径增大，土建投资增幅愈加明显。
同规格方形补偿器与旋转补偿器相比，前者对应的固定支架间距远小于后者，同样长度补偿管道，方形补偿器数量多于旋转补偿器数量，从整体产品价格考虑，相差无几，且前者会多出一到两个固定支架，也增加了土建投资。
综合以上三条因素，本设计中DN＞400的蒸汽管道均采用旋转补偿器。
2.3实例计算
以本工程中DN800蒸汽管道为例，其补偿器的布置形式主要采用2.3节中的第一种方式。
（1）旋转补偿器参数如下：公称直径：DN800；工作压力：P=1.6MPa；工作温度：T=350℃；转矩： M=93.20KN·m；补偿量： △x=0～2000mm；补偿器总长:L=500mm。
(2)管道单位长度计算荷载: K=3500N/m
(3)管道热伸长△x=L×α×△T=100m×13.45×10-4cm/(m·℃)×260℃=35 cm
(4)旋转补偿器的旋转角度θ值验证:
θ=2arctan(△/2d)= 2arctan(350/2*4500)≈5°＜θmax=15°，计算值小于最大旋转角的推荐值，符合要求。
（5）固定架水平推力计算：
每组旋转补偿器的力偶臂设计长度L=5.8m。力偶旋转力（性质等同其余补偿器的弹性力）Fm：
Fm=M/(L×cos0.5θ)=93.2/(4.5×cos0.5×5)=20700N
主固定支架受力：F=µqL+Fm=0.1×3500×100+20700=55700N
有关摩擦系数µ及固定支架间距L的说明：由于旋转补偿器的固定支架间距大，每个滑动支座的滑动摩擦力累积到固定支座处时，累积数值会特别大。本项目采用了滚动支座，摩擦系数按0.1取值，则滑动摩擦力减少70%。综合考虑土建和综合管架的布置需求，固定支架的间距定为100m。
结论
以上对架空热力管道中旋转补偿器的选型、布置进行了分析。通过以上分析可以看出，在架空敷设的大口径热力管道中，旋转补偿器表现出了其独特的优越性，改变了传统自然补偿器占地面积大，推力大等缺点。其在节约投资的同时，也让厂区的管架走向更加规整，管道布置更加紧凑。
参考文献
[1]《动力管道设计手册》编写组. 《动力管道设计手册》[M].北京：机械工业出版社,2006.
[2] 17GL401，《综合管廊热力管道敷设与安装》[S].北京：中国计划出版社,2017.
论文作者:王爱鲜
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/8
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