為了防止(zhi)管(guan)道(dao)(dao)(dao)熱膨脹(zhang)產(chan)生(sheng)的(de)破壞作用，在(zai)管(guan)道(dao)(dao)(dao)設計中，應當(dang)對(dui)(dui)高溫管(guan)道(dao)(dao)(dao)進行(xing)熱補(bu)償(chang)設計。管(guan)道(dao)(dao)(dao)的(de)熱補(bu)償(chang)方(fang)法有兩種：一(yi)(yi)種是利(li)用管(guan)道(dao)(dao)(dao)自(zi)身的(de)柔性吸收其位移變形(xing)的(de)自(zi)然補(bu)償(chang)法；另一(yi)(yi)種是利(li)用在(zai)管(guan)道(dao)(dao)(dao)中設置適當(dang)形(xing)式的(de)補(bu)償(chang)器對(dui)(dui)管(guan)道(dao)(dao)(dao)進行(xing)補(bu)償(chang)的(de)方(fang)法。
管(guan)道在現(xian)場的(de)(de)走向是根(gen)據工藝設備的(de)(de)布置情況決定(ding)的(de)(de)。利用(yong)改變(bian)管(guan)道走向、調整支撐點的(de)(de)位置或改變(bian)支吊架的(de)(de)形(xing)式，增加(jia)管(guan)道自(zi)身(shen)的(de)(de)柔性(xing)，以補償(chang)其熱膨脹和端點附加(jia)位移的(de)(de)辦(ban)法(fa)稱(cheng)為(wei)管(guan)道自(zi)然補償(chang)。例如在管(guan)道中(zhong)布置適當的(de)(de)L形(xing)、Z形(xing)或I形(xing)管(guan)段(duan)，即可(ke)有效地(di)增加(jia)管(guan)道的(de)(de)柔性(xing)。這種補償(chang)辦(ban)法(fa)結構簡(jian)單(dan)、運行可(ke)靠、投資少，所以被廣(guang)泛采用(yong)。
1. 金屬波紋管膨(peng)脹節(jie)
隨(sui)著大直徑高(gao)(gao)溫管(guan)(guan)道的(de)增(zeng)多(duo)和金屬(shu)波紋(wen)管(guan)(guan)膨脹(zhang)節(jie)(jie)制造(zao)技術的(de)提(ti)高(gao)(gao)，近(jin)年(nian)來金屬(shu)波紋(wen)管(guan)(guan)膨脹(zhang)節(jie)(jie)在(zai)壓(ya)力(li)(li)管(guan)(guan)道中得到了廣泛應(ying)用(yong)。此種補(bu)償(chang)器制造(zao)技術較為復雜，價(jia)格高(gao)(gao)。一般(ban)采用(yong)0.5~3mm薄(bo)(bo)不銹鋼(gang)板制造(zao)，耐壓(ya)低，補(bu)償(chang)能力(li)(li)大，適(shi)用(yong)于(yu)低壓(ya)大直徑高(gao)(gao)溫管(guan)(guan)道。但應(ying)當指出，在(zai)強度上它是管(guan)(guan)道中的(de)薄(bo)(bo)弱(ruo)環節(jie)(jie)，與自然補(bu)償(chang)比較可靠性(xing)差，應(ying)正確選用(yong)與安裝。目前(qian)此種補(bu)償(chang)器尚(shang)無國家(jia)標(biao)準(zhun)，各企業標(biao)準(zhun)的(de)波紋(wen)管(guan)(guan)參數尚(shang)不統一，但其制造(zao)技術條(tiao)件(jian)已有(you)國家(jia)標(biao)準(zhun)GB/T 12777《金屬(shu)波紋(wen)管(guan)(guan)膨脹(zhang)節(jie)(jie)制造(zao)技術條(tiao)件(jian)》。
根據金屬波(bo)紋管膨(peng)脹(zhang)節的結(jie)構和功能(neng)，其基本形式可分十大類。如表3-16所(suo)示。
壓力(li)管道常用的金(jin)屬(shu)波紋管膨脹節主要有單(dan)式軸向(xiang)型(xing)、復(fu)式拉桿型(xing)、單(dan)式鉸鏈型(xing)及彎(wan)管壓力(li)平衡型(xing)等幾種。
①. 單式軸向型膨脹(zhang)節
單式軸(zhou)向(xiang)型膨(peng)(peng)脹節結構簡單、價格低，主要用于(yu)吸(xi)收(shou)(shou)軸(zhou)向(xiang)位(wei)(wei)移(yi)，在一定條件下可吸(xi)收(shou)(shou)少(shao)量角位(wei)(wei)移(yi)和軸(zhou)向(xiang)位(wei)(wei)移(yi)。用于(yu)吸(xi)收(shou)(shou)軸(zhou)向(xiang)位(wei)(wei)移(yi)的單式軸(zhou)向(xiang)型膨(peng)(peng)脹節的典(dian)型布置如圖 3-15 所示(shi)。
單式軸(zhou)向型膨(peng)脹節屬于無約束型波紋膨(peng)脹節，不能(neng)承受(shou)波紋管壓力(li)推力(li)。選用時應注意下(xia)列問題。
a. 兩固定支座之間(jian)的管(guan)道上(shang)只能(neng)布置一(yi)個該(gai)型膨脹節。
b. 固定支座必須有足夠的強度，以承受波(bo)紋(wen)管壓力(li)(li)推力(li)(li)。
c. 對管(guan)道必須進(jin)行嚴格(ge)保(bao)護，尤其是靠(kao)近(jin)波紋管(guan)膨(peng)(peng)脹(zhang)節的(de)部位應設置(zhi)導(dao)向(xiang)(xiang)(xiang)架(jia)，第(di)一個(ge)導(dao)向(xiang)(xiang)(xiang)支(zhi)架(jia)與(yu)膨(peng)(peng)脹(zhang)節的(de)距離應小于(yu)4DN,第(di)二個(ge)導(dao)向(xiang)(xiang)(xiang)支(zhi)架(jia)與(yu)第(di)一個(ge)導(dao)向(xiang)(xiang)(xiang)支(zhi)架(jia)的(de)距離應不大于(yu)14DN,以(yi)防止管(guan)道有彎曲或徑向(xiang)(xiang)(xiang)偏移(yi)造(zao)成膨(peng)(peng)脹(zhang)節破壞。
②. 復式拉桿型膨(peng)脹節(jie)
復式拉桿型膨(peng)脹節(jie)的安裝示(shi)意圖如圖3-16所示(shi)。管道(dao)呈Z形(xing)，補償器(qi)可吸收拉桿之間管道(dao)的軸向膨(peng)脹量，拉桿承(cheng)受內壓推力，兩側管道(dao)的膨(peng)脹使補償器(qi)產(chan)生(sheng)橫向位移，兩個膨(peng)脹節(jie)均產(chan)生(sheng)角位移。
③. 單式鉸鏈型膨脹節
一(yi)般將兩個或三(san)個單式鉸(jiao)鏈型膨(peng)(peng)脹(zhang)節(jie)布置在一(yi)個平面(mian)內，如(ru)圖3-17所示。工作時利用每個膨(peng)(peng)脹(zhang)節(jie)產生的角位移來吸收管道的熱膨(peng)(peng)脹(zhang)。這(zhe)種(zhong)布置方(fang)法可吸收較大的膨(peng)(peng)脹(zhang)量(liang)。
④. 彎管(guan)壓力平衡型膨脹節
能平(ping)衡膨脹節(jie)的(de)壓力(li)推力(li)，可避免壓力(li)推力(li)作用在(zai)與其連接的(de)機(ji)器管嘴上，所以在(zai)與汽輪機(ji)、離心壓縮機(ji)等敏感設備連接的(de)管道上應用較多。安裝示(shi)意圖(tu)如圖(tu)3-18所示(shi)。
2. 球形補償(chang)器
①. 結構(gou)及工(gong)作原理(li)
球(qiu)形補(bu)償器的(de)結構如圖3-19所(suo)示(shi)，其工作原理如圖3-20(a)所(suo)示(shi)，球(qiu)體(ti)可以(yi)繞本身軸線旋轉［見圖3-20(b)],還可以(yi)向(xiang)任意方向(xiang)做折(zhe)曲運動［見圖3-20(c)].利用(yong)球(qiu)形補(bu)償器的(de)這些(xie)特(te)點(dian)，可將(jiang)其角度(du)位(wei)(wei)移轉變(bian)為管(guan)道的(de)直線位(wei)(wei)移來(lai)吸收(shou)(shou)管(guan)道的(de)熱膨脹量(liang)，在(zai)轉變(bian)過程(cheng)中，為保證(zheng)管(guan)道的(de)直線性，球(qiu)形補(bu)償器本身的(de)角度(du)也需(xu)要給(gei)予(yu)補(bu)償，因(yin)此，必須要兩個(ge)(ge)或三個(ge)(ge)組成(cheng)一組來(lai)使用(yong)，單個(ge)(ge)球(qiu)形補(bu)償器是(shi)不能吸收(shou)(shou)直線位(wei)(wei)移的(de)［見圖3-20(d)]。
球形(xing)補償器的三個重(zhong)要參數指標是：球心(xin)距(ju)R、折(zhe)曲角0和位移量(liang)Δ.θ的大(da)小(xiao)由制造廠提供，與結構尺寸有關(guan)，國內(nei)產品(pin)一般(ban)為30°,國外(wai)產品(pin)有30°、15°等多種形(xing)式，其(qi)余兩項R和Δ由設計確定。
②. 使用場合
a. 適用范圍 公稱壓力PN≤1.6MPa;設計溫度T≤350℃;公稱尺(chi)寸DN50~600mm.
b. 適用于輸送非易(yi)燃和(he)無毒(du)的熱(re)(re)介質管道，如蒸汽、熱(re)(re)水、凝(ning)結水、熱(re)(re)油、熱(re)(re)空氣(qi)等管道。有腐蝕性熱(re)(re)介質的管道不宜使用。
c. 球(qiu)形(xing)補償器(qi)的(de)補償量大，最適合在廠(chang)際之間或區(qu)域性(xing)的(de)較(jiao)長距離(li)的(de)熱管(guan)道上使(shi)用(yong)(yong)。由于(yu)采用(yong)(yong)球(qiu)形(xing)補償器(qi)比U形(xing)膨脹彎管(guan)少(shao)用(yong)(yong)很多彎頭(tou)，故也適用(yong)(yong)于(yu)對壓力降有要求的(de)熱管(guan)道。另外，還可以使(shi)用(yong)(yong)在對接管(guan)載荷(he)有限(xian)制的(de)設備進出(chu)口管(guan)道上。
d. 球形補償(chang)器可吸收(shou)布置在建筑物或儲罐之間(jian)的(de)管道因基礎下沉而引(yin)起的(de)相對位移。
e. 球形補償器可以緩解或消除管(guan)道系(xi)統因地(di)震而(er)產生的超載應力。
③. 布(bu)置方式(shi)和補(bu)償量計(ji)算(suan)
a. 直線管道固定支架間(jian) 距如(ru)表(biao)3-17所示(shi)。
b. 水平Z形布置(zhi) 有單向式(shi)、雙向式(shi)和三(san)球式(shi)三(san)種(zhong)布置(zhi)方式(shi)。
· 單向式
單向式(shi)包括單向A式(shi)和單向B式(shi)2種，如圖3-21所示。
單向A式的主要(yao)特征是球形(xing)補償器設在(zai)兩個固定支(zhi)架之(zhi)間，離(li)(li)其中一(yi)個固定支(zhi)架（A點）很近，離(li)(li)另(ling)一(yi)個固定支(zhi)架（B點）較遠，這種布置只吸收一(yi)個方(fang)向的位移。一(yi)般(ban)受到地形(xing)位置限制(zhi)時用(yong)此布置方(fang)式。
單向(xiang)B式的特征與(yu)(yu)(yu)單向(xiang)A式相(xiang)同，用在無位置限(xian)制的條件(jian)下，與(yu)(yu)(yu)單向(xiang)A式不同之(zhi)處是熱脹(zhang)終(zhong)止位置不同，以及固(gu)定支(zhi)(zhi)(zhi)架(jia)1與(yu)(yu)(yu)②承受推力大小(xiao)不同，如固(gu)定支(zhi)(zhi)(zhi)架(jia)②與(yu)(yu)(yu)支(zhi)(zhi)(zhi)架(jia)1相(xiang)比，需要考慮(lv)管道(dao)載(zai)荷的摩擦力，而固(gu)定支(zhi)(zhi)(zhi)架(jia)1與(yu)(yu)(yu)支(zhi)(zhi)(zhi)架(jia)②相(xiang)比，需要考慮(lv)球形補償器(qi)動(dong)作時的側向(xiang)力。
單向(xiang)式(shi)的位移量(liang)Δ、折曲角0、球心距R間關(guan)系(xi)為： 單向(xiang)A式(shi) Δ=Rsin (0/2) （3-1) 、 單向(xiang)B式(shi)Δ=2Rsin(0/2) （3-2)
· 雙向式(shi)
球形補(bu)償器設在兩(liang)固(gu)定支架中(zhong)間，而且離兩(liang)支架距(ju)離都較遠時，能吸收兩(liang)個方(fang)向的(de)位(wei)(wei)移（見圖3-22),位(wei)(wei)移量Δ=Δ1+Δ2.布(bu)置時盡量使兩(liang)邊管(guan)段(duan)（A段(duan)、B段(duan)）相等，其Δ、R、0的(de)關系式為： Δ1+Δ2=2Rsin(0/2)（3-3)
· 三球式
當整條管道不能(neng)吸收橫(heng)向位(wei)移(yi)時(shi)，應(ying)采用此種形式，用第三個(ge)球吸收管道的橫(heng)向位(wei)移(yi)（見圖3-23).位(wei)移(yi)Δ、球心(xin)距R、折曲角0的關系式為(wei)Δ=2Rsin(0/2)（3-4)
圖3-23中R1、β和橫(heng)向位(wei)移Δ:的關系式為 Δ=Risinβ（3-5)式中，β不(bu)能大于球形補償器全(quan)折曲(qu)角(jiao)8的一半。
c. 水(shui)平L形布置
水平L形布置(zhi)可吸(xi)收(shou)兩段相互(hu)垂直(zhi)管道的位移（見圖3-24)。
確定(ding)兩球中心(xin)間距(ju)R1、R2時，先用直(zhi)線段L1、L2按式（3-6)計算位移量Δ1、Δ2,兩者中的較(jiao)大值(zhi)Δ,并按式（3-1)計算出中心(xin)距(ju)，而(er)后(hou)將求(qiu)(qiu)出的數值(zhi)乘以1.5,作為＝R2的數值(zhi)，然后(hou)用R1、R2按式（3-7)及(ji)實際的Δ1及(ji)Δ2重(zhong)新求(qiu)(qiu)出01和02.檢查01＋02=0:是(shi)否超(chao)過(guo)制(zhi)造廠規定(ding)的折曲角（03<30°),如果超(chao)過(guo)則需加長(chang)球心(xin)距(ju)，然后(hou)重(zhong)計算。
Δ=αtL(t1-to)（3-6)
中Δ 熱膨脹量(liang)，mm;
L-管道直線長度，mm;
r1-管道工作溫(wen)度(du)，℃;
t0-管道安裝溫度，℃;
Q:-管材在工(gong)作溫度(du)下(xia)的線脹系數，1/℃.
必須注意，實際R1、R2值要(yao)比計(ji)算值大，以(yi)保證留有余量。
d. 垂直(zhi)面布置
· 垂直(zhi)Z形(xing)布置(zhi)的原理及(ji)計算式與(yu)水平Z形(xing)布置(zhi)相同（見圖3-25).
· 兩組球形(xing)補(bu)償器組合(he)垂直布置(zhi) 利(li)用球形(xing)補(bu)償器的工作原(yuan)理(li)，在(zai)實際應用中(zhong)，將訴組布置(zhi)在(zai)一起，既方便支架的布置(zhi)，又整齊美觀。但要注意(yi)，兩組中(zhong)間一定(ding)要用固定(ding)支架（見圖3-26).
e. 球形補償器附近的彎頭至第(di)一個導向(xiang)支架的距離
例如圖3-21(a)及圖3-25中彎頭E點至導向支(zhi)(zhi)架G點的距離，應(ying)滿足柔(rou)性的要求。球(qiu)(qiu)形(xing)補(bu)償器前后兩(liang)個彎頭之間的管長的熱膨脹量設為(wei)Δ,可作為(wei)EG段柔(rou)性計算依據(ju)，但(dan)由于(yu)(yu)球(qiu)(qiu)形(xing)補(bu)償器在(zai)(zai)位(wei)移過程中，其軌跡(ji)是弧線(xian)，所(suo)以(yi)在(zai)(zai)球(qiu)(qiu)形(xing)補(bu)償器附(fu)近將產生偏移量y,當球(qiu)(qiu)形(xing)補(bu)償器從中心線(xian)向一個方向擺動時,對于(yu)(yu)垂直(zhi)Z形(xing)布置(zhi)(zhi)的管道（見圖3-25),如有特殊要求，必須在(zai)(zai)彎頭E點附(fu)近設置(zhi)(zhi)支(zhi)(zhi)架時，應(ying)采(cai)用彈簧(huang)支(zhi)(zhi)架。
f. 在分支管上布置球形補償器(qi)
當(dang)主(zhu)管與分支管在同(tong)一平面(mian)(mian)時，可(ke)按圖3-27所示方式布置(zhi)。當(dang)主(zhu)管有較(jiao)大位(wei)移時，可(ke)按圖3-27(a)布置(zhi)。帶球形(xing)補償器的(de)分支管的(de)x長(chang)度應滿足前面(mian)(mian)第e點(dian)所述位(wei)移ΔR的(de)要(yao)求(qiu)。當(dang)不(bu)能布置(zhi)成吸(xi)收段(duan)“x”時，可(ke)采(cai)用三球布置(zhi)方式，見圖3-27(b),其計算(suan)方法與L形(xing)布置(zhi)計算(suan)相同(tong)。
④. 反作用力(li)計算
球形補償器(qi)轉(zhuan)動力矩M引起(qi)的反作用力F1可按(an)下式計算(suan)
F1=2M/R1（3-12)
式中 F1-轉動力矩而引起的反(fan)作用(yong)力，N;
M-球形補償(chang)器轉動力矩（由(you)制(zhi)造廠提供），N·m;
R1-球(qiu)心距在作用面上的投影長(chang)度(du)，m,R1=Rcos(0/2)(當0小(xiao)于30°時(shi)，可取R1~R).
3. 套筒式補償器(qi)（填料函式管道伸縮節）
①. 主要(yao)結構類型
a. 重載套(tao)筒式(shi)補償器
其(qi)內部(bu)沒有內壓平衡結構，端部(bu)固定點需承受(shou)彎管或(huo)閥門、盲板的(de)內壓推力（見圖3-28).
b. 減載套筒式補(bu)償器
其內(nei)(nei)部(bu)有內(nei)(nei)壓(ya)(ya)平衡(heng)結構(gou)，端部(bu)的(de)彎管(guan)或閥門、盲板(ban)的(de)內(nei)(nei)壓(ya)(ya)推(tui)力與補償器內(nei)(nei)部(bu)構(gou)件的(de)軸向承壓(ya)(ya)面所(suo)受的(de)內(nei)(nei)壓(ya)(ya)推(tui)力平衡(heng)，所(suo)以(yi)固定支架可以(yi)不考(kao)慮內(nei)(nei)壓(ya)(ya)推(tui)力的(de)作用(yong)(yong)，但目前尚無定型(xing)產品和標(biao)準，選(xuan)用(yong)(yong)時(shi)要慎重。
②. 使用場合
a. 適(shi)用范(fan)圍。公稱壓力：PN≤2.5MPa;工作溫度≤200℃;公稱尺寸：DN50~600mm;輸送介質：蒸汽(qi)、水(shui)。
b. 這種補(bu)償(chang)器有(you)易泄漏和軸向推力較大的(de)缺點，一般很少(shao)(shao)選用，尤其在(zai)裝置(zhi)內或寒(han)冷地區更不能選用這種補(bu)償(chang)器。在(zai)裝置(zhi)外、廠區內或廠際之間的(de)熱(re)管道上，在(zai)布置(zhi)U形膨(peng)脹彎管受(shou)空間位置(zhi)限制時可以選用，但盡量少(shao)(shao)用。
③. 布置方(fang)式
套筒式補償(chang)器只能(neng)用于(yu)直線熱管道(dao)上吸(xi)收(shou)熱伸長，不(bu)能(neng)用于(yu)彎管和空間管系。
套筒式補(bu)償(chang)(chang)器兩邊直管(guan)端點（根據(ju)補(bu)償(chang)(chang)器的(de)補(bu)償(chang)(chang)能(neng)力計算(suan)固(gu)定(ding)點的(de)位置(zhi)），必(bi)須設置(zhi)固(gu)定(ding)架。導(dao)向(xiang)支(zhi)架布置(zhi)要(yao)求和波紋管(guan)膨脹(zhang)節的(de)布置(zhi)要(yao)求相同。
