套筒補償器常用型式及其在蒸汽管道上的應(yīng)用
摘要：介紹了套筒補償器的工作原理和主要型式，分5類說明了套筒補償器的密封原理及裝配形式，列舉了各類產(chǎn)品的優(yōu)缺點。結(jié)合實踐總結(jié)了套筒補償器的最常見破壞原因。提出了常見的選用及安裝注意事項。介紹了無孔注填套簡補償器在四平昊華化工公司溫度310℃、壓力為1.0 MPa的過熱蒸汽管道上的應(yīng)用情況，介紹了適用于蒸汽管道使用的套筒補償器。 套筒補償器的常用型式
1.1普通套筒補償器
普通套筒補償器采用浸油石棉盤根作填料，以多環(huán)依次排列加入填料函內(nèi)，利用壓蘭進行壓緊，當(dāng)管道膨脹時，內(nèi)管相對于外管移動，浸油石棉盤根實現(xiàn)了兩者間的密封。用螺栓壓緊端環(huán)和壓蘭之間的填料。此種密封方式會隨著內(nèi)外套間的相對運動次數(shù)的增加，逐漸摩損流失。所以它易泄漏，填料需經(jīng)常更換，因而維護和檢修工作量大。
1.2 密封圈式套筒補償器
密封圈式套筒補償器主體密封結(jié)構(gòu)充分考慮密封材料的物理密封原理和化學(xué)成分，采用寬唇撓性密封結(jié)構(gòu)．利用流體動壓密封原理來實現(xiàn)可靠的密封效果，徹底改變了傳統(tǒng)套筒補償器強制密封，從而減小摩擦力，密封效果更好?？筛鶕?jù)使用溫度及工況，采用不同的耐溫且耐腐蝕、化學(xué)性能穩(wěn)定的密封材料。
缺點是由于密封圈材質(zhì)的自身性能，橡膠的抗老化能力不如填料穩(wěn)定。決定了它的使用壽命比較短。又由于靠密封圈密封要求密封腔體的尺寸精度較高，成本會大些。其結(jié)構(gòu)形式如圖1。
1.3彈性式套簡補償器
彈性套筒補償器的在彈簧的作用下，使密封填料始終處于在被壓緊的狀態(tài)，從而使管中介質(zhì)無法泄漏。彈性套筒補償器采用了耐腐蝕的不銹鋼套管，由于內(nèi)壁光滑和填料長度短，軸向力很小，減少了填料損耗，避免了過多檢修工作量，延長了使用壽命。 缺點是由于裝入了彈簧，成本較高。不太適用于熱力行業(yè)大范圍使用。
1.4注填式套簡補償器
注填式套筒補償器是密封劑從外部通過注填孔注入，也可實現(xiàn)遠距離注入。密封劑自潤滑性能好、磨擦系數(shù)低，對相對工作面有保護作用。不同配方的密封劑可滿足不同溫度介質(zhì)。但由于注填孔的存在無法應(yīng)用于直埋管線。結(jié)構(gòu)見圖2。
圖2注填式套筒補償器
1.5取消固定支架的無孔注填式套筒補償器
無孔注填式套筒補償器是完全區(qū)別于以往的注填套筒補償器。它以安全可靠的密封形式和防腐措施解決了一般直埋補償器注填孔需要高置預(yù)留孔及密封圈式補償器一旦破壞無法修補等缺點。它是在內(nèi)、外工作套管形成的密封腔兩側(cè)裝入密封骨架層，然后在中間密封腔中間通過壓力裝入特種密封劑。由于這種補償器沒有了注填孔，所以加工簡單，這種多種密封形式的組合，既保證了裝配產(chǎn)品的簡單性，又保證了產(chǎn)品運行的安全性。 又由于其內(nèi)部采用主、次承力圈的設(shè)計，使產(chǎn)品本身可以承受管道的盲板力，取消管道的固定支架。簡要結(jié)構(gòu)。
圖3取消固定支架的無孔注填式套筒補償器
如果在運輸及裝配過程中出現(xiàn)密封填料的流失，使管道蒸汽有滲漏現(xiàn)象，可以在無孔套筒補償器外套筒開設(shè)緊急填充孔，達到不停汽維護。
套筒補償器破壞原因
套筒補償器的泄漏一般是由于內(nèi)套筒與外套筒間的間隙不均或是運行中產(chǎn)生了很大的不同軸度，使密封材料周向受力不均而產(chǎn)生。也有補償器兩端支架高不一致或是管道錯位造成了套筒補償器的破壞。
3套筒補償器的選用安裝注意事項
套筒補償器在管線布置中應(yīng)在其兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)向支架，以保證運行時內(nèi)套與外套間的同軸度。套筒兩側(cè)管道的跨距應(yīng)比正?？缇嘈。乐褂捎诠艿雷陨碇亓υ斐裳a償器內(nèi)外套偏向一側(cè)。對于管道直徑大于等于600 mm的套筒補償器，在架空使用時可在補償器下方增設(shè)一個托架，防止由于自重造成內(nèi)套筒偏心。安裝前檢查內(nèi)套筒工作表面的防腐鍍層有無損傷。產(chǎn)品沿著管道中心線安裝，不同軸度不大于1%，防止運行時摩擦力過大。[31安裝時考慮管道的溫度，留有足夠的冷拉量，出廠時產(chǎn)品已預(yù)留100 mm.管道托架必須接合管道保溫厚度設(shè)計其管托高度，避免高度過小造成管道移動時保溫材料的破壞。施工時，確保活動支架管托與支架頂保持平滑，減少磨擦。
4在蒸汽管線上的應(yīng)用
四平昊華化工有限公司的雙二十萬噸聚氯乙烯和離子膜燒堿項目中，需將原有的DN250管線移位。過熱蒸汽溫度310℃，壓力為1.0 MPa，管線距離為320 m，按熱力計算，需要設(shè)置補償器。蒸汽管道的熱補償一般有3種型武：傳統(tǒng)的脹形彎補償（即方形補償器）、金屬波紋補償器、套筒補償器。原管線采用的是最原始的方形補償形式。由于這次要移位的蒸汽管線左側(cè)為準(zhǔn)備廠房施工用地，右下邊緊臨廠內(nèi)通行的主道路。移位后的管線在一條廠內(nèi)的基建用主道路上邊穿過，而且在管線旁是在建的辦公樓規(guī)劃用地，也就是這條管線周圍沒有可占用間，傳統(tǒng)的門形補償器熱損失大，占地面積大，阻力損失大，且由于受到外部空間的限制和美觀要求不能使用。
波紋補償器因存在盲板力，改造時需重新核算及布置管線的固定支架。這條蒸汽管線架空在距地面6m的管架上，正好在主道路旁通過。波紋補償器由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，特別是針對蒸汽管線，一旦破壞就會產(chǎn)生爆破，很可能造成巨大損失。所以波紋補償器用于此處也存在很大的安全引患。 經(jīng)研究決定采用套筒補償器。這樣整條管線就可以不占用任何空間位置，采用直線走向。滿足道路的正常使用的同時又可以不阻礙廠房建設(shè)，也能減少振動降低噪音。以往的普通套筒補償器一般都用在熱水管線上，很少有使用在高溫工業(yè)蒸汽管線的實例。原有的老式注填式套筒補償器用于管道時由于密封填料及填注方法不過關(guān)，使用過程中系統(tǒng)常會產(chǎn)生工作介質(zhì)的滲露，安全性低且維護費用極高。因此，選擇了密封性能極其可靠的無注填孔式套筒補償器。這種補償器的特種密封劑是在預(yù)先裝配時就預(yù)壓入內(nèi)外套的組合密封腔中，在產(chǎn)品最初裝配時就存人了4倍管道設(shè)計壓力的初始密封壓力。這樣在產(chǎn)品運行周期中，內(nèi)外套筒間的往復(fù)運動也不會使密封劑流失、密封壓力降低。這種密封劑適合于不大于600℃的蒸汽，具有很高的抗水解性能。
在原管線進行門形補償器彎頭處阻力損失的計算。彎頭內(nèi)的流動由于流體的慣性，流體在流過彎頭時內(nèi)外壁面的壓力分布不同而使流線發(fā)生彎曲，流體受到向心力的作用，這樣，彎管外側(cè)的壓強就高于內(nèi)側(cè)的壓強，如圖4所示。圖中AB區(qū)域內(nèi)，流體壓強升高，B點以后，流體的壓強漸漸降低。與此同時，在彎管內(nèi)側(cè)的A'B’區(qū)域內(nèi)，流體作增速降壓的流動．增壓減速流動。在AB和B'C，這兩個區(qū)域內(nèi)，由于流動是減速增壓的，會引起流體脫離壁面，形成漩渦區(qū)，造成損失。此外，由于黏性的作用，管壁附近的流體速度小，在內(nèi)外壓力差的作用下，會沿管壁從外側(cè)向內(nèi)側(cè)流動。
圖4蒸汽在彎管內(nèi)的流動
同時，由于連續(xù)性，管中心流體會向外側(cè)壁面流去。從而形成一個雙旋渦形狀的橫向流動，整個流動呈螺旋狀。橫向流動的出現(xiàn)，也會引起流體能量的損失。彎管的局部損失系數(shù)可按下列經(jīng)驗公式計算：
系數(shù)k的計算式為
式中：R為彎管中線的曲率半徑；D為管徑。 一般情況下，流體在管路系統(tǒng)中的流動必將存在若干沿程損失和局部損失，總的能量損失符合疊加原理。按式(1)計算，采用套筒補償器在這條蒸汽管線上阻力損失比采用門形補償器少了40%。
5結(jié)束語
這條蒸汽管線從2007年5月運行至今，套筒補償器性能乎穩(wěn)可靠，沒有出現(xiàn)過跑冒滴漏的現(xiàn)象，熱補償效果顯著。證明無孔注填式套筒補償器在蒸汽管線上的應(yīng)用是成熟的。
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