郭 锐
中冶华天南京工程技术有限公司 江苏南京 210019
摘 要：阐述了补偿器在亚临界煤气锅炉管道设计中，自由复式型补偿器的作用和设计选型；介绍了自由复式型补偿器计算与选型、设计安装要点。
关键词：煤气管道；自由复式型补偿器；热膨胀；预偏装；盲端推力；补偿器安装；
1.前 言
随着国家整合优化冶金行业产能和节能减排的号召，100MW及以上亚临界低热值煤气锅炉在冶金发电行业得到了广泛应用，并逐渐成为主流。
2.自由复式型补偿器简介
国内生产的自由复式补偿器大多采用美国EJMA标准优化设计，已为国内外多家大型工厂中广泛运用。图1为国内某厂家的自由复式型补偿器的典型样本资料。
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图1 SXF型 自由复式型膨胀节（压力范围：0.1-0.6MPa 温度范围：≤450℃ 通径范围：DN 200-4600mm 疲劳寿命：1000次）
3.补偿器选型
以某厂家工程样本为例，补偿器两端轴向位移(x1,x2)情况下所对应的横向位移(y1,y2),旨在确定任意给定轴向位移(x0)条件下的额定横向位移(y0)。分以下3种情况：
（1）管道所在管段的热位移(横向x和轴向y)均小于样品中某一型号对应的额定位移(x1,y1)，则直接选用该型号即可。
（2）轴向位移(x)大于样本中选定型号所对应的轴向位移(x1)，而横向位移又有一定余度，
（3）轴向位移(x)小于选定型号所对应的额定轴向位移(x1)，而横向位移又大于该型号所对应的额定横向位移(y1),
（2）和（3）情况中所选定型号是否满足该管段的性能要求，就需要通过以计算公式确定：
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式中，x0为任意给定的轴向位移，y0为相应型号换算的额定横向位移。x1,y1和x2,y2分别为样本中该型号所对应的两组额定位移。
补偿器型号确定，补偿器总长也就确定了，改变x0,y0的对应关系，不影响补偿器的刚度和使用性能，但如果改变补偿器总长度，器刚度和使用性能将会变化，这要通过补偿器制造厂的计算程序确定。
4.补偿器的选型
以山东某1×100MW煤气发电项目为例1，煤气管道通径为DN1400，设计压力为0.20MPa,介质温度300℃，轴向位移X=95mm、横向位移Y=100mm，可选型SXF2-1400-II。
该型号 横向补偿能力Y1=112mm，横向刚度KY=84N/mm
轴向补偿器补偿能力X1=100mm,轴向刚度KX=241N/mm
总长L=2500mm
总宽B=1710mm
端管规格 Φ1420 × 14
弹性反力横向FY=Y，KY=100 × 84=8400(N)
轴向FX=X1KX=95 × 241=22895(N)
例2.其余条件与例1相同，但其热位移要求值为：X=150mm，Y=50mm，其型号还能用例1号吗?显然，横向位移满足要求，且有一定余度，但轴向位移不满足要求。将型号SXF2-1400-II的两组数据和x0=x=150代入上面的换算公式中，则得y0=79.5mm。由此可知，例1中选定型号的补偿器，也满足例2的使用要求，因此，也可选型SXF2-1400-II。
该型号的补偿器性能可表达为：
横向补偿能力：Y1=79.5mm，横向刚度KY=84N/mm
轴向补偿能力：X1=150mm，轴向刚度KX=241N/mm
总长L=2500mm
总宽B=1710mm
弹性反力 横向FY=yKY=50 × 84=4200(N)
轴向FX=xKX=150 × 241=36150(N)
5.盲端推力
管系中使用自由复式型补偿器时，应考虑介质压力引起的盲端推力。盲端推力的计算如下步骤进行：
首先查取补偿器的有效面积A。对自由复式型补偿器系列来说，表中未列出A值大小，但可查《SDZ-普通轴向型补偿器系列》中相应压力和通径给出的有效面积A。对上例中的SXF2-1400-II，查P=0.25MPa，通径DN1400所对应的SDZ系列， 则得A=17070cm2，由此可算得两端管道的盲端、拐弯处的固定支架或设备所承受的盲端推力(工作时)：
FP=100PA=100 × 0.20 × 17070=341400(N)。
6.补偿器的安装设计
上述计算式通常用在横向变化不大的情况下。考虑到煤气管道安全要求，变形位移量不宜超过补偿器额定补偿量的50%。对于复杂应用情景，要采用特殊设计和安装方法。
某工程采用HG-330/17.5-Q1 1×100MW亚临界煤气锅炉。如图2炉膛（燃烧器中心线处）热膨胀量的变化值为垂直方向向下163mm，水平位移12mm。计算并查补偿器样本，在满足偏移量的正常水平安装下，补偿器长度为3000mm，空间有限无法满足安装要求。
为了解决此问题，可采用补偿器预偏装的方式吸收炉膛膨胀量。即在冷态安装时，燃烧器中心线相对于煤气管道中心线向上偏装80mm，如图3。当锅炉运行时，补偿器随着锅炉本体向下热膨胀而运动，极限情况下补偿器实际横向位移量为83mm。可选取SXF1-800-II型，长度为1500mm，满足设计安装要求。
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7.结 论
在煤气管道设计时应合理选用补偿器安装形式并满足相关标准规范。对简单煤气管道系统，往往选用单一型式的波纹管补偿器就能满足应力和位移要求；而对于空间受限的复杂管系，就需要逐一分析各分支管路对设备管口的影响，合理选型自由复式型补偿器，才能满足设备管口的受力要求。
参考文献：
［1］GB16749-1997，压力容器波形膨胀节［Ｓ］．
［2］EJMA-2015（第10版），美国膨胀节制造商协会标准［Ｓ］．
［3］GB6222-2005, 工业企业煤气安全规程［Ｓ］．