為了防止管(guan)道熱膨脹產生的(de)(de)(de)破壞(huai)作用，在(zai)(zai)管(guan)道設計(ji)中，應當對高溫管(guan)道進行熱補(bu)(bu)償設計(ji)。管(guan)道的(de)(de)(de)熱補(bu)(bu)償方(fang)法有(you)兩種：一種是利用管(guan)道自身的(de)(de)(de)柔性吸(xi)收其位移變(bian)形的(de)(de)(de)自然(ran)補(bu)(bu)償法；另一種是利用在(zai)(zai)管(guan)道中設置適(shi)當形式的(de)(de)(de)補(bu)(bu)償器對管(guan)道進行補(bu)(bu)償的(de)(de)(de)方(fang)法。
管道在(zai)現場的走(zou)向(xiang)是(shi)根據工藝設備的布置情況決定的。利用改變管道走(zou)向(xiang)、調整支撐點(dian)的位置或改變支吊(diao)架的形(xing)式，增加管道自身的柔性(xing)，以補(bu)償(chang)其熱膨脹(zhang)和端點(dian)附加位移的辦(ban)法(fa)稱為(wei)管道自然補(bu)償(chang)。例如在(zai)管道中布置適當的L形(xing)、Z形(xing)或I形(xing)管段，即可有效地增加管道的柔性(xing)。這種補(bu)償(chang)辦(ban)法(fa)結構簡單、運行可靠(kao)、投資少，所以被廣泛采用。
1. 金(jin)屬波(bo)紋管膨(peng)脹節
隨著大(da)直(zhi)徑高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)管(guan)(guan)道(dao)的(de)增多(duo)和金屬(shu)(shu)波紋(wen)管(guan)(guan)膨脹節(jie)(jie)(jie)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)(zao)技(ji)術(shu)(shu)(shu)的(de)提(ti)高(gao)(gao)(gao)，近(jin)年來(lai)金屬(shu)(shu)波紋(wen)管(guan)(guan)膨脹節(jie)(jie)(jie)在壓(ya)力(li)管(guan)(guan)道(dao)中得到(dao)了廣泛應用(yong)(yong)(yong)。此種補(bu)(bu)償(chang)器(qi)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)(zao)技(ji)術(shu)(shu)(shu)較為復雜，價格(ge)高(gao)(gao)(gao)。一(yi)般(ban)采用(yong)(yong)(yong)0.5~3mm薄(bo)不銹鋼板制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)(zao)，耐壓(ya)低(di)，補(bu)(bu)償(chang)能力(li)大(da)，適用(yong)(yong)(yong)于低(di)壓(ya)大(da)直(zhi)徑高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)管(guan)(guan)道(dao)。但應當指出(chu)，在強度上它是管(guan)(guan)道(dao)中的(de)薄(bo)弱環節(jie)(jie)(jie)，與自然補(bu)(bu)償(chang)比較可靠性差，應正確(que)選用(yong)(yong)(yong)與安(an)裝(zhuang)。目前此種補(bu)(bu)償(chang)器(qi)尚(shang)無國家(jia)標準，各企業(ye)標準的(de)波紋(wen)管(guan)(guan)參數(shu)尚(shang)不統一(yi)，但其(qi)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)(zao)技(ji)術(shu)(shu)(shu)條(tiao)件已有國家(jia)標準GB/T 12777《金屬(shu)(shu)波紋(wen)管(guan)(guan)膨脹節(jie)(jie)(jie)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)(zao)技(ji)術(shu)(shu)(shu)條(tiao)件》。
根據金屬(shu)波紋管膨脹節(jie)的結構和功(gong)能(neng)，其(qi)基本(ben)形式可(ke)分十大類。如(ru)表3-16所(suo)示。
壓力管道(dao)常用的(de)金屬(shu)波紋管膨(peng)脹節主要有單(dan)式(shi)軸向型(xing)、復(fu)式(shi)拉(la)桿型(xing)、單(dan)式(shi)鉸鏈(lian)型(xing)及(ji)彎管壓力平衡型(xing)等幾(ji)種。
①. 單(dan)式軸向型膨脹節
單式(shi)(shi)軸向(xiang)型(xing)膨(peng)脹(zhang)節(jie)結構簡單、價(jia)格低，主(zhu)要用于吸收軸向(xiang)位移，在一定條件下可吸收少量(liang)角位移和軸向(xiang)位移。用于吸收軸向(xiang)位移的單式(shi)(shi)軸向(xiang)型(xing)膨(peng)脹(zhang)節(jie)的典型(xing)布置(zhi)如圖 3-15 所(suo)示。
單(dan)式(shi)軸向型膨脹節屬于無約束型波紋膨脹節，不(bu)能(neng)承受波紋管壓力(li)推(tui)力(li)。選(xuan)用時應注意下列(lie)問題。
a. 兩固(gu)定支座之間的管道上只能布置一個該(gai)型膨脹節。
b. 固定支座必須有足夠的強度(du)，以承(cheng)受(shou)波紋管壓力推力。
c. 對管道必須進行嚴(yan)格保護，尤其是靠近波紋管膨脹節(jie)的(de)部位應設置導向(xiang)架，第(di)一個導向(xiang)支(zhi)架與(yu)膨脹節(jie)的(de)距離應小于4DN,第(di)二個導向(xiang)支(zhi)架與(yu)第(di)一個導向(xiang)支(zhi)架的(de)距離應不大于14DN,以防止管道有彎(wan)曲或徑向(xiang)偏移造成膨脹節(jie)破壞。
②. 復式拉桿型膨脹節
復式拉桿(gan)型膨脹(zhang)節的(de)安裝示意圖(tu)如圖(tu)3-16所示。管道(dao)呈Z形，補(bu)償(chang)器可吸(xi)收拉桿(gan)之間管道(dao)的(de)軸向(xiang)(xiang)膨脹(zhang)量，拉桿(gan)承受(shou)內壓推力，兩(liang)側管道(dao)的(de)膨脹(zhang)使補(bu)償(chang)器產生(sheng)橫向(xiang)(xiang)位移，兩(liang)個膨脹(zhang)節均(jun)產生(sheng)角位移。
③. 單(dan)式鉸(jiao)鏈(lian)型膨脹節
一(yi)般將兩個(ge)或三個(ge)單式鉸(jiao)鏈型膨(peng)脹(zhang)節布置在一(yi)個(ge)平面內(nei)，如圖3-17所示。工(gong)作(zuo)時利用每(mei)個(ge)膨(peng)脹(zhang)節產生的角(jiao)位(wei)移(yi)來吸收(shou)管道的熱膨(peng)脹(zhang)。這種布置方法可(ke)吸收(shou)較大(da)的膨(peng)脹(zhang)量(liang)。
④. 彎管(guan)壓(ya)力(li)平衡(heng)型膨脹(zhang)節
能平衡膨脹節的(de)壓(ya)力推(tui)力，可(ke)避免壓(ya)力推(tui)力作(zuo)用(yong)在與其連接的(de)機(ji)器管嘴上(shang)，所(suo)以在與汽輪機(ji)、離心壓(ya)縮機(ji)等敏感(gan)設(she)備連接的(de)管道(dao)上(shang)應用(yong)較(jiao)多。安(an)裝示意圖如圖3-18所(suo)示。
2. 球(qiu)形(xing)補償器(qi)
①. 結(jie)構及工作原理(li)
球(qiu)(qiu)形(xing)補(bu)償(chang)器的(de)(de)結構如圖(tu)(tu)(tu)3-19所示，其工作原理如圖(tu)(tu)(tu)3-20(a)所示，球(qiu)(qiu)體(ti)可(ke)以繞本(ben)身軸線旋轉［見(jian)圖(tu)(tu)(tu)3-20(b)],還可(ke)以向任(ren)意(yi)方(fang)向做折曲運(yun)動［見(jian)圖(tu)(tu)(tu)3-20(c)].利用(yong)球(qiu)(qiu)形(xing)補(bu)償(chang)器的(de)(de)這些(xie)特點，可(ke)將其角度(du)位移(yi)轉變(bian)為管(guan)道的(de)(de)直線位移(yi)來吸收(shou)管(guan)道的(de)(de)熱膨脹量，在轉變(bian)過程中(zhong)，為保證管(guan)道的(de)(de)直線性，球(qiu)(qiu)形(xing)補(bu)償(chang)器本(ben)身的(de)(de)角度(du)也需要給予補(bu)償(chang)，因(yin)此，必須要兩個(ge)或三(san)個(ge)組(zu)成一組(zu)來使用(yong)，單個(ge)球(qiu)(qiu)形(xing)補(bu)償(chang)器是不能(neng)吸收(shou)直線位移(yi)的(de)(de)［見(jian)圖(tu)(tu)(tu)3-20(d)]。
球形(xing)補償器的(de)三個(ge)重要參數指標是：球心距R、折曲角0和(he)位移(yi)量Δ.θ的(de)大(da)小由制(zhi)造廠提(ti)供，與結(jie)構尺(chi)寸有(you)關，國(guo)內產(chan)品一般為30°,國(guo)外產(chan)品有(you)30°、15°等(deng)多種形(xing)式，其余兩(liang)項R和(he)Δ由設計確定。
②. 使用場合
a. 適用范圍(wei) 公(gong)稱壓力PN≤1.6MPa;設計溫(wen)度T≤350℃;公(gong)稱尺(chi)寸DN50~600mm.
b. 適用(yong)(yong)于輸送非易燃和無(wu)毒的(de)熱(re)介(jie)質(zhi)管道(dao)，如蒸汽、熱(re)水、凝結(jie)水、熱(re)油、熱(re)空氣等管道(dao)。有腐蝕性熱(re)介(jie)質(zhi)的(de)管道(dao)不(bu)宜使用(yong)(yong)。
c. 球形補償器的補償量大，最(zui)適(shi)合在廠(chang)際之間或(huo)區域性(xing)的較長(chang)距離的熱管(guan)道上(shang)(shang)使(shi)用(yong)(yong)。由于采(cai)用(yong)(yong)球形補償器比(bi)U形膨脹(zhang)彎(wan)管(guan)少用(yong)(yong)很多彎(wan)頭，故也適(shi)用(yong)(yong)于對(dui)壓(ya)力降有要求(qiu)的熱管(guan)道。另外，還(huan)可(ke)以使(shi)用(yong)(yong)在對(dui)接管(guan)載荷有限制的設備進出口管(guan)道上(shang)(shang)。
d. 球形補償器可吸收布置在建筑物(wu)或儲罐之間的管道因基礎下沉而引起(qi)的相(xiang)對位移。
e. 球形補償(chang)器可以緩解或消除管道(dao)系(xi)統因(yin)地震而產生的(de)超(chao)載應力(li)。
③. 布(bu)置方式和補償量(liang)計(ji)算(suan)
a. 直線管道固定支架間 距(ju)如(ru)表3-17所示。
b. 水平Z形(xing)布置 有單向式(shi)(shi)(shi)、雙向式(shi)(shi)(shi)和三(san)球式(shi)(shi)(shi)三(san)種布置方式(shi)(shi)(shi)。
· 單向(xiang)式
單向(xiang)式包括單向(xiang)A式和單向(xiang)B式2種，如圖3-21所示。
單向A式的主要特征是球(qiu)形(xing)補償器設在(zai)兩個(ge)(ge)固(gu)定支架(jia)之間，離(li)其中(zhong)一(yi)個(ge)(ge)固(gu)定支架(jia)（A點(dian)）很近(jin)，離(li)另一(yi)個(ge)(ge)固(gu)定支架(jia)（B點(dian)）較遠，這種布置(zhi)只吸收(shou)一(yi)個(ge)(ge)方(fang)向的位移。一(yi)般(ban)受到地形(xing)位置(zhi)限(xian)制時(shi)用此布置(zhi)方(fang)式。
單(dan)向(xiang)B式(shi)的特(te)征與(yu)單(dan)向(xiang)A式(shi)相(xiang)同(tong)，用(yong)在無位(wei)置限制的條(tiao)件下，與(yu)單(dan)向(xiang)A式(shi)不同(tong)之處是熱脹(zhang)終止位(wei)置不同(tong)，以及固(gu)定(ding)支(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)架(jia)1與(yu)②承(cheng)受推(tui)力大(da)小(xiao)不同(tong)，如(ru)固(gu)定(ding)支(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)架(jia)②與(yu)支(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)架(jia)1相(xiang)比，需要(yao)考慮管道載荷的摩擦力，而固(gu)定(ding)支(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)架(jia)1與(yu)支(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)架(jia)②相(xiang)比，需要(yao)考慮球(qiu)形補償器動作時的側向(xiang)力。
單(dan)向(xiang)式的(de)位移量Δ、折曲角0、球心距R間(jian)關系為： 單(dan)向(xiang)A式 Δ=Rsin (0/2) （3-1) 、 單(dan)向(xiang)B式Δ=2Rsin(0/2) （3-2)
· 雙向式
球(qiu)形補償(chang)器(qi)設在兩固定支架中間，而(er)且(qie)離兩支架距(ju)離都較(jiao)遠時，能吸收兩個方(fang)向的(de)(de)位(wei)(wei)移（見(jian)圖3-22),位(wei)(wei)移量Δ=Δ1+Δ2.布置時盡量使兩邊管段(duan)（A段(duan)、B段(duan)）相等，其Δ、R、0的(de)(de)關系式(shi)為： Δ1+Δ2=2Rsin(0/2)（3-3)
· 三球式(shi)
當整條管(guan)道不能(neng)吸收橫向位(wei)(wei)移(yi)(yi)(yi)時，應采用(yong)此種(zhong)形式(shi)，用(yong)第(di)三個球吸收管(guan)道的(de)橫向位(wei)(wei)移(yi)(yi)(yi)（見(jian)圖3-23).位(wei)(wei)移(yi)(yi)(yi)Δ、球心距R、折曲角(jiao)0的(de)關系(xi)式(shi)為Δ=2Rsin(0/2)（3-4)
圖3-23中R1、β和橫向(xiang)位移Δ:的(de)關系式為 Δ=Risinβ（3-5)式中，β不能(neng)大于球形補(bu)償器全折曲角8的(de)一半。
c. 水平L形(xing)布置
水平(ping)L形布置可吸收(shou)兩段相(xiang)互垂直(zhi)管道的位移（見圖3-24)。
確(que)定(ding)兩(liang)球中心(xin)(xin)間距(ju)(ju)R1、R2時，先(xian)用(yong)直線(xian)段L1、L2按(an)(an)式（3-6)計(ji)算位移量(liang)Δ1、Δ2,兩(liang)者中的(de)較(jiao)大值Δ,并(bing)按(an)(an)式（3-1)計(ji)算出中心(xin)(xin)距(ju)(ju)，而后(hou)將求(qiu)出的(de)數值乘以(yi)1.5,作(zuo)為＝R2的(de)數值，然后(hou)用(yong)R1、R2按(an)(an)式（3-7)及實際的(de)Δ1及Δ2重新求(qiu)出01和02.檢(jian)查01＋02=0:是否超過制造廠規定(ding)的(de)折(zhe)曲(qu)角（03<30°),如果超過則需加長球心(xin)(xin)距(ju)(ju)，然后(hou)重計(ji)算。
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(gong)作溫度，℃;
t0-管道安裝溫(wen)度(du)，℃;
Q:-管材在工(gong)作溫度下的線脹系數，1/℃.
必(bi)須(xu)注意，實際(ji)R1、R2值要比計算值大，以保證留(liu)有余(yu)量。
d. 垂直面布置
· 垂直(zhi)Z形(xing)布(bu)置(zhi)的原理及計算式與水平Z形(xing)布(bu)置(zhi)相同（見圖3-25).
· 兩(liang)組(zu)(zu)球形(xing)補償(chang)(chang)器組(zu)(zu)合垂直(zhi)布置 利用(yong)球形(xing)補償(chang)(chang)器的工作(zuo)原理，在實際應用(yong)中，將訴組(zu)(zu)布置在一起(qi)，既方便(bian)支架的布置，又整齊美(mei)觀。但要注意，兩(liang)組(zu)(zu)中間一定(ding)要用(yong)固定(ding)支架（見圖(tu)3-26).
e. 球形補償器附近的(de)彎(wan)頭至(zhi)第一個導向支架的(de)距離
例如圖3-21(a)及圖3-25中彎頭(tou)(tou)E點至導向支(zhi)架(jia)G點的(de)距離(li)，應滿(man)足柔性的(de)要求。球(qiu)(qiu)形(xing)(xing)(xing)(xing)補(bu)償器(qi)(qi)前(qian)后兩(liang)個彎頭(tou)(tou)之間的(de)管(guan)長的(de)熱膨脹量設(she)為Δ,可作為EG段柔性計算依據，但由于球(qiu)(qiu)形(xing)(xing)(xing)(xing)補(bu)償器(qi)(qi)在(zai)位移(yi)過程中，其軌跡(ji)是弧線(xian)，所以在(zai)球(qiu)(qiu)形(xing)(xing)(xing)(xing)補(bu)償器(qi)(qi)附近將產生(sheng)偏(pian)移(yi)量y,當球(qiu)(qiu)形(xing)(xing)(xing)(xing)補(bu)償器(qi)(qi)從中心線(xian)向一個方向擺動時(shi),對于垂直Z形(xing)(xing)(xing)(xing)布置(zhi)的(de)管(guan)道（見圖3-25),如有特殊要求，必(bi)須在(zai)彎頭(tou)(tou)E點附近設(she)置(zhi)支(zhi)架(jia)時(shi)，應采用彈簧支(zhi)架(jia)。
f. 在分支管上布置球(qiu)形補償(chang)器
當(dang)主管與(yu)分(fen)支(zhi)管在同一平面時(shi)(shi)，可按(an)(an)圖3-27所示方(fang)式布置。當(dang)主管有較大(da)位(wei)移時(shi)(shi)，可按(an)(an)圖3-27(a)布置。帶球(qiu)形補(bu)償器的分(fen)支(zhi)管的x長度應滿足前面第(di)e點所述位(wei)移ΔR的要(yao)求。當(dang)不能布置成(cheng)吸(xi)收段(duan)“x”時(shi)(shi)，可采用三球(qiu)布置方(fang)式，見圖3-27(b),其計算方(fang)法與(yu)L形布置計算相同。
④. 反作用(yong)力計算
球形補償器轉動力矩M引起的反作用力F1可按下式計算
F1=2M/R1（3-12)
式中 F1-轉動力矩而(er)引起的反作用力，N;
M-球(qiu)形補償(chang)器轉動(dong)力矩(ju)（由制造廠提供），N·m;
R1-球心距在(zai)作用面上的投(tou)影長度，m,R1=Rcos(0/2)(當(dang)0小于30°時(shi)，可取R1~R).
3. 套筒式補償器（填料(liao)函式管道伸縮(suo)節）
①. 主要結構類型(xing)
a. 重載套筒(tong)式(shi)補償器
其內部(bu)沒(mei)有(you)內壓平(ping)衡結構，端部(bu)固(gu)定(ding)點需(xu)承受(shou)彎管或閥門、盲板的內壓推力（見圖3-28).
b. 減(jian)載套(tao)筒(tong)式補償器
其內(nei)(nei)部有內(nei)(nei)壓平衡結構，端部的(de)彎管或閥門、盲板(ban)的(de)內(nei)(nei)壓推力(li)與補償器內(nei)(nei)部構件的(de)軸向承壓面所受(shou)的(de)內(nei)(nei)壓推力(li)平衡，所以(yi)固定支架可以(yi)不考慮內(nei)(nei)壓推力(li)的(de)作用，但目前(qian)尚無定型產品(pin)和標準，選(xuan)用時要慎重(zhong)。
②. 使用場合
a. 適用(yong)范圍(wei)。公(gong)稱(cheng)壓力：PN≤2.5MPa;工(gong)作溫度≤200℃;公(gong)稱(cheng)尺寸：DN50~600mm;輸送介質：蒸汽、水。
b. 這(zhe)種(zhong)補償器有易泄漏(lou)和軸向推力(li)較大的缺(que)點，一般很少選(xuan)(xuan)用，尤其(qi)在裝置(zhi)內或寒冷地區更不能選(xuan)(xuan)用這(zhe)種(zhong)補償器。在裝置(zhi)外、廠區內或廠際之間的熱管道上，在布置(zhi)U形膨脹彎管受空間位置(zhi)限制時可以選(xuan)(xuan)用，但盡(jin)量少用。
③. 布置方式
套筒式(shi)補(bu)償器(qi)只能(neng)用于直線熱管道(dao)上吸收(shou)熱伸長，不能(neng)用于彎管和空(kong)間管系。
套筒(tong)式補(bu)(bu)(bu)償器兩邊直管端(duan)點（根據補(bu)(bu)(bu)償器的(de)補(bu)(bu)(bu)償能力計(ji)算固(gu)定點的(de)位置(zhi)），必須設置(zhi)固(gu)定架(jia)。導向(xiang)支架(jia)布置(zhi)要求和波紋管膨脹節的(de)布置(zhi)要求相(xiang)同。
