热力管道的热膨胀及其补偿

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1、热力管道的热膨胀及其补偿摘要：热力管道输送的介质温度很高，投入运行后，将引起管道的热膨胀，使管壁内或某些焊缝上产生巨大的应力，如果此应力超过了管材或焊缝的强度极限，就会使管道造成破坏。本文就热力管道的热膨胀、热应力、轴向推力的理论分析计算，针对各种补偿器的选用原则和安装要点进行了简述。关键词：热力管道热膨胀热应力热补偿补偿器预拉伸1管道的热膨胀及热应力计算1.1管道的热膨胀计算管段的热膨胀量按下式计算：ΔL=ɑ.L.Δt=2.L.(t2-t1)式中：ΔL——管段的热膨胀量（mm）；ɑ——管材的线膨胀系数，即温

2、度每升高1℃每米管子的膨胀量（mm/m.℃）；L——管段长度（m）；Δt——计算温差，即管道受热时所升高的温度，它等于管道输送介质的最高工作温度t2与管道安装时的环境温度t1之差（℃）。对于一般碳钢管ɑ=12×10-4mm/m.℃，则ΔL=0.012.L.Δt。在施工中，为了迅速估算碳钢管道的热膨胀量，可按每米管道在升温100℃时，其膨胀量为1.2mm计算。1.2管道的热应力计算管道受热时所产生的应力的大小可按下式计算：σ=E.ε=E.=■E.■=E.ɑ.Δt   式中：σ——管道受热时所产生的应力（kg/c

3、m2）；E——管材的弹性模量（kg/cm2）；ε——管道的相对变形量，它等于管道的热膨胀量ΔL（mm）与管道原长L（m）之比，即ε=■   常用钢材的弹性模量E=2×10-6（kg/cm2），一般碳钢管的线膨胀系数ɑ=12×10-6（mm/m.℃），则热应力的计算公式可简化为σ=2×106×12×10-6×Δt=24.Δt（kg/cm2）。利用此式，可以很容易地计算出钢管道热膨胀受到限制时产生的热应力。由此可见，管道受热时所产生的应力的大小，与管子直径及管壁厚度无关。它是由管子材料的弹性模量、线膨胀系数和管道

4、受热时所升高的温度来决定的。在这三个因素中，温差是影响热应力的最主要因素。1.3管道的轴向推力计算管道的轴向推力就是管道在断面上受热时所受到的纵向总压力，其计算公式为：P=σ.F。式中：P——纵向压力（kg）；σ——热应力（kg/cm2）；F——管子横断面积（cm2）。此力作用在管道两端的支架上，对于两端固定的直管，温度变化引起的热应力，仅与管道材质、管壁截面积和温度变化有关，而与管路的长度无关。这个应力往往是很大的，如不采取补偿措施，容易造成破坏性。对于弯曲的热力管道情况就不同了，由于管道可以产生一定范围内

5、的自然变形，从而大大减少了应力，避免管道遭到破坏。1.4[例]有一根ф219×8的碳素钢无缝钢管，长度为20米，投入运行后的温度为425℃，而安装时的环境温度为25℃，那么该管段的热膨胀量是多少？管段受热时产生的热应力是多少？如果将管道两端固定，因膨胀而产生的轴向推力是多少？已知2=0.012mm/m.℃，E=2×106kg/cm2）。[解]管道投入运行后与安装时温度差Δt=425-25=400℃。故热膨胀量ΔL=ɑ.L.Δt=0.012×20×400=96(mm)。热应力σ=24.Δt=24×400=960

6、0(kg/cm2)。轴向推力P=σ.F=9600×■=600192(kg)=600.2（t）   上述管段受热时产生的应力达9600kg/cm2，已超过了碳素钢的极限强度，由此产生600.2吨的轴向推力。如果将管道两端固定，则该管段将被受热时产生的热应力破坏。2管道的热补偿种类及选用原则管道的热补偿，就是合理地确定固定支架的位置，使管道在一定范围内，进行有控制的伸缩，以便通过补偿器和管道本身的弯曲部分进行长度补偿。作为能减释热应力的补偿器一般可分为自然补偿和人工补偿两大类。布置热力管道的固定支架和补偿器时，应

7、首先考虑利用管道的弯曲部分进行自然补偿。2.1自然补偿器选用原则2.1.1管道布置时，应尽量利用所用管路原有弯曲的自然补偿，当自然补偿不能满足要求时，才考虑装设各种类型的补偿器。2.1.2当弯管转角小于150°时，可用自然补偿；大于150°时不能用作自然补偿。2.1.3自然补偿器的管道臂长不应超过20～25m，弯曲应力σ不应超过80Mpa。2.2方型补偿器的选用原则2.2.1热力管网一般采用方型补偿器，只有在方型补偿器不便使用时，才选用其他类型补偿器。2.2.2方型补偿器的自由臂（导向支架至补偿器外臂的距离）

8、，一般为40倍公称直径的长度。2.2.3方型补偿器须用优质无缝钢管制作。DN<150mm时用冷弯法制作；DN≥150mm时用热弯法制作。弯头弯曲半径通常为3DN～4DN。2.3波形补偿器的选用原则2.3.1波形补偿器因其强度较弱，补偿能力小，轴向推力大，适用于直径DN>150mm及压力的PN≤0.7MPa管道。2.3.2波形补偿器用钢板制作，钢板厚度一般采用3～4mm。2.3.3波形补偿器的波节以3