浅谈化工管道热膨胀及其补偿措施

浅谈化工管道热膨胀及其补偿措施
摘要：通过列举化工管道热膨胀相关参数的计算公式及实例计算分析说明了设置管道热膨胀补偿的重要性，并说明了常见的补偿措施。

关键词：管道热膨胀补偿
一、概述
化工热力管道是在室温下安装的，投入运行后，由于温度的变化，将引起管道的热涨或冷缩使管壁焊缝处产生巨大的应力，如果此应力超过了管材或焊缝的强度极限，将会造成管道的破坏。

所以，凡是高温（或低温）管线，都要采取补偿措施来防止产生过高的热应力，使管道安全运行。

二、热膨胀量的计算
如果在室温下安装的管线原长度为L，在温度升高的条件就会热伸长成L+ΔL，也就是比原来长了ΔL，这个伸长了得数值，就是这段管道的热膨胀量可由下式求得：
ΔL=α* L *Δt
式中ΔL—管段的热膨胀量，米
α—管材的热膨胀系数（即温度每升高1℃每米管子线膨胀量）
L—在室温下安装的管道原长度，米
Δt—工作时温度t2与安装时室温t1之差值，Δt=t2-t1，℃
三、热应力的计算
如果管道两端不固定而允许它自由伸长，则热伸长对管子强度无影响。

若不允许自由伸长，则由此而产生的附加热应力可由下式求得：
δ=E *ε
式中δ—管材受热时所产生的热应力，公斤//cm2
E—管材的弹性模数，公斤/cm2
ε—管道的相对变形，ε=ΔL/L
由上式可见，管道受热时所产生的应力的大小与管子壁厚及直径无关，而仅由管材E ，α ，L ，Δt等参数决定。

现举一计算实例如下：
〔例〕将一段长为20米，材料为A3的无缝钢管两端固定，然后通入热介质，使钢管温度升高到420℃，安装时室温为20℃，求该管段的热膨胀及产生的热应力？
解：由计算可知该管段的热膨胀量为
ΔL=α*L*Δt=12x10-6x20x（420-20）=0.096（米）
管段受热时产生的应力为
δ=E*ε=2.1x106x0.096/20=10080（公斤//cm2）
由计算结果可以看出，上述管段受热时产生的应力远大于A3钢的强度极限，必须采取一定的补偿措施。

四、断面推力计算
管子的断面推力是指管子受热时其断面上所受到的纵向总压力，可由下式求得：
P=δ * F
式中P—断面推力，公斤
δ—管材受热时所产生的热应力，公斤//cm2
F—管子横断面积，厘米
现举一计算实例如下：
〔例〕上例中无缝钢管的规格为φ108x4，其他条件一样，问管子断面上的推力为多少？
解：由计算知断面推力为
P=δ* F=10080x3.14x（10.82-102）/4=131669（公斤）
由此可见，断面推力与管道材质，管壁截面积和温度变化有关，而与管道长度无关，这个力往往是很大的，如不采取补偿措施，将造成破坏性事故。

五、管道热膨胀的补偿
化工热力管道中对于管道热膨胀一般采用自然补偿和人工补偿两种方式加以解决。

1.自然补偿
对于有弯曲部分的热力管道，受热时自身可产生一定的弹性变形，而不会产较大的热应力和管道轴向推力，从而有效防止管道及支架因受热而发生破坏，这种借管道自身的弹性变形来吸收管道的热膨胀的补偿方法就是自然补偿。

其弯曲部位可叫做自然补偿器，可分为L型，Z型与U型三种。

由于自然补偿法是利用管道本身变形来补偿，
所以在选择管道线路及其支架点时，必须注意力求使每两个固定支架间的管段尽可能由几个互相垂直而且长度不一的臂组成，使管道具有柔韧性，以保证管道变形时不产生过大的应力而造成破坏。

2.人工补偿
当管道热膨胀量过大时，普遍采用的是各种类型人工补偿器补偿。

工业中常用的有方型补偿器，波形补偿器及填料式补偿器三种。

方型补偿器具有补偿能力大，作用在固定支架上的轴向推力小，制造简单，使用维护方便等特点；缺点是尺寸较大，不能安装在狭窄的地方，流体阻力较大；波形补偿器一般用于公称直径较大的低压气体管道中。

缺点是轴向推力较大，易产生变形，在每个波节下面须设置排液装置，且排液装置又须经常保养，浪费气体，因此在蒸汽管道中应用较少；填料式补偿器广泛用于不容易弯制的管路中，优点是占地面积小，伸缩量大，缺点是容易产生泄漏，运行一段时间后须更换填料。

六、结语
化工管道的热膨胀是一个普遍存在的问题，也是一个应引起管道设计、安装部门高度重视的问题，大家应认真对待，以确保管路系统的安全运行，防患于未然。