（国核电力规划设计研究院）
摘要：火力发电产中的烟风煤粉管道是烟道、风道、原煤、制粉、送粉及其他有关管道的总称，其中烟道和热风道因内部介质的温度较高，易产生一定的热伸长量，即我们通常所称的热膨胀量。当管道自身的补偿能力不够时，热膨胀就会使管道产生强大的热应力，从而影响整个管系及设备的安全运行。针对这个问题，可以在管道上设置补偿器，以补偿管道的热伸长，从而减小管壁的应力和作用在阀件或支架结构上的作用力。
关键词：烟风煤粉；管道设计；补偿器；应用
烟风煤粉管道升温时，由于热伸长或温度应力，对管道两端的固定支架产生严重的推力或是对与其连接的设备管口产生一定的附加应力，导致管道容易发生变形或是破坏。为消除或减小管道热膨胀带来的不利因素，除了要求配管设计布置合理外，还应采取安装补偿器的方式对管系的膨胀量进行吸收。
一、管段热膨胀量
1.1补偿器的作用
补偿器有多种类型，而波纹补偿器的应用最为普遍。不论是波纹补偿器、旋转补偿器，还是套筒补偿器、方形自然补偿器，它们都是为了保障管道的安全运行而设置，一般来说有以下四个主要作用：①补偿器对管道轴向、横向、角向热变形进行补偿吸收。②补偿器具有较好的伸缩量，降低阀门管道的安装和拆卸工作的难度，非常方便。③补偿器可以吸收设备振动，使设备振动对管道的影响得以减少。④补偿器可以吸收地震或地陷对管道的变形量。另外值得一提的是方形自然补偿器，它有两个重要作用：①管道从基础梁或地下室墙穿过时，安装方形补偿器可以大大减轻甚至避免基础的沉降对管道产生的压力。②如果热力管道过长，安装方形补偿器可以大大减小热胀冷缩对管道产生的拉伸[1]。
1.2管段热膨胀量的计算方法
管道安装通常是在常温下进行的，当管道内供热介质及周围环境温度发生变化时，将引起管道的热胀冷缩。为使管道在热状态下稳定和安全，管道受热时的热伸长量需要给予格外关注和准确计算。设备生产运行的时候，管道内的高温介质，让管段遇热膨胀，此热膨胀值可以按照下面这个公式来计算：Δl=LaΔt
公式中，Δl代表管段的热膨胀值，单位为mm。L代表管段的投影长度，单位为m。a代表钢材的线膨胀系数，单位为mm/（m·℃）mm。Δt代表工作温度和安装温度之间的差值，单位为℃。
1.3应用实例
比如在某管道工程中，热风道的设计温度是320℃，其安装温度是20℃，选用Q235A风道材质，管道两端的固定支架间距是16米，由这些数值可以计算出该管段生产运行时所能产生的热膨胀量值。首先，我们可以查看常用国产钢材的平均线膨胀系数数据表，可以查出风道材质Q235A的钢材线膨胀系数是0.013mm/（m·℃）。然后按照上述公式，我们可以计算得出热膨胀量值为Δl=LaΔt=10×0.013×（300-20）=39mm根据以上计算结果，我们可以得知在这个工作状态下，我们需选择补偿量大于39mm的通用补偿器，就可以将此管段的热膨胀量完全吸收。
二、补偿器的应用
2.1补偿量的计算
补偿器可以单独充当轴向补偿或是横向补偿，但是单独用作角补偿时，效果并不是很好。但是，在实践工程项目设计中，补偿器在应用中通常会同时充当角向补偿的作用，也就是说在轴向补偿、横向补偿、角向补偿这三种补偿中，补偿器同时吸收任意两种补偿量，偶尔甚至会吸收全部三种补偿量。在这类应用场合中，补偿器的轴向补偿量、横向补偿量和角向补偿量的选取，应当满足下面这个关系式：X1+XY1/Y+Xa1/a≤X
这个关系式中，X代表单独进行轴向补偿时的补偿量，Y代表单独进行横向补偿时的补偿量，a代表单独进行角向补偿时的补偿量。X1代表同时存在的轴向补偿量的实际值，Y1代表同时存在的竖向补偿量的实际值，a1代表同时存在的角向补偿量的实际值[2]。
2.2补偿量的吸收
当角向变化不大时，可应用上述计算式进行计算，但是当角向变化比较大时，就需要在安装的时候，通过对补偿器进行预压缩并偏装，进行补偿量的吸收。某工程锅炉一次热风道接口，水平方向，随着炉膛温度的上升而膨胀，膨胀量的变化值为垂直方向向下140mm，其他2个方向的位移为10mm，而一次热风总管中心线与热风道进口法兰面仅相距2600mm。对补偿器样本进行查取，能够水平安装同时满足垂直方向140mm的补偿器长度太长了，不能满足此工程的安装要求。因此，选择对补偿器先进行预压缩并偏装，对其膨胀量进行吸收。在冷态安装的时候，相对于热风管道中心线，补偿器中心线向上偏装75mm，当锅炉正常生产运行时，热风道进口管段向下膨胀，补偿器将随其运动。对补偿器进行预压缩并偏装处理后，使得原本需要大于140mm的横向补偿量大大缩减并被分解，只要补偿器横向补偿量可以达到75mm，就足以满足此安装要求，一来解决了对安装空间的约束和限制，二来也节省了补偿器的投资成本。
三、补偿器的选择技巧
3.1非金属补偿器和金属补偿器的选择
非金属补偿器采用耐高温材质，金属补偿器则采用耐磨材质。烟道和热风道内部的介质温度相对比较高，补偿器有被烫穿的危险，为了预防这个问题，通常都选择使用耐高温材质的非金属补偿器。对热风送粉管道而言，此类管道里有一定量煤粉颗粒的存在，因此设置补偿器时不但需要考虑满足上述的热补偿要求，还应当考虑防磨能力，尽量延长其使用寿命，此时则适宜选择使用耐磨材质的金属补偿器。
3.2隔离振动的设备接口
补偿器一可以有效地吸收管道的膨胀量，二可以有效地吸收管道振动，因此可以用在需要隔离振动的设备接口上。比如与风机进出口连接的管道，其振动比较频繁也比较大，因此可以在风机进出口，安装一个补偿器，然后接风道接管，帮助吸收风机因为自身运行导致管道形成的振动，实现减少整个管系的振动，另外，也能够有效防止管道上的荷载传递给设施设备，实现保护设施设备的作用。
3.3选用技巧
补偿器常用的是采用矩形截面，对于圆角波形，管道中单个膨胀节需承受二维方向位移。由2个膨胀节组成的肘接管道，则可以承受三维方向位移。矩形圆角金属波纹膨胀节有全高和半高型。虽然各方面的制约因素比较复杂，但是不论是哪种管系，都可以采用若干个固定支架，设置在不同的部位，使其分解成若干形状相对简单的单独管段。这样分别确定出来各管段的变形及补偿量，完全可以等同于未处理之前的变形和补偿量。补偿器种类繁多，因此需要合理、正确地选型。在烟风煤粉管道的总体设计中，应当充分考虑到管道的走向以及支撑体系的良好设计，同时综合考虑补偿器的造型和配置，实现安全、合理、适用、经济的最佳组合。
结语
现代文明不断前进，科技在飞速发展，补偿器的工艺也在不断提高，其形式不断增多，功能应用面也在不断的扩展和提升，补偿吸收管道轴向、横向以及角向的冷热变形。在烟风煤粉管道设计中，管道上设置补偿器，以补偿管道的热伸长，从而减小管壁的应力和作用在阀件或支架结构上的作用力，应当准确使用补偿器的标准规范和要求，合理选择使用适当的补偿器安装形式，帮助更好地实现管段热膨胀的补偿作用，更帮助减轻生产中烟风煤粉管道的振动，从而避免补偿器被拉坏的现象发生。
参考文献：
[1]何磊.不长期在烟风煤粉管道设计中的应用分析[J].城市建设理论研究（电子版），2013.
[2]姜霞.浅谈补偿器在烟风煤粉管道设计中的应用[J].化肥设计，2011.
作者简介：
李艳（1985.02-），女，山东文登人，东北电力大学热能与动力工程学士，单位：国核电力规划设计研究院，研究方向：热力发电厂烟风煤粉管道设计