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摘要：由于工作温度很高，蒸汽管道产生热应力变化现象，该变化若不能得到有效补偿，将会使管道承受巨大的应力，从而导致管道严重变形，甚至破裂，因此需要考虑管道的热补偿，本文论述了架空敷设蒸汽管道热补偿设计及应注意的问题，并对某工程项目中出现的典型问题进行了分析说明。
关键词：架空敷设蒸汽管道；架空支架；波纹管补偿器；应力计算
1引言
蒸汽管道的运行温度和压力都很高，必须考虑管道的热应力变化，并采取相应的措施，否则，由此产生的作用力将通过管道系统传递到固定支架和相连的设备上，对设备以及管道的安全运行构成很大的威胁，易造成安全事故。为保证管道在热状态下运行的稳定和安全，减少管道热胀冷缩时所产生的应力，蒸汽管道的设计中，必须充分考虑管道的热补偿问题。
2热应力变化与补偿
2.1热应力变化
管道内供热介质及周围环境发生变化，将引起管道的热胀冷缩，产生热伸长和热应力变化，使管壁产生巨大的应力，若管线两端不固定，允许其自由变形，则管壁的应力变化对管的强度没有什么影响。但若管线两端都固定，不能自由伸缩，则管线因热应力变化而对固定点产生巨大的推拉力，该力可根据公式（1）计算：
（1）
式中， —为管线材料的弹性模量，M Pa；
—为管线材料的应变；
—钢管的截面积；
—为管线材料的线膨胀系数， ；
—为管线安装时的长度，m；
—为工作温度与安装温度之间的差值， 。
在直段两端固定情况下，单位长度的 #（D219x6mm）无缝钢管，在200 的环境中工作时，其管线的热应力可计算得 ，远大于 #钢在200 时的许用应力123MPa，钢管壁截面积为4013 ，根据公式（1）可计算出管线对固定支架的作用力 ，如此大的推力是任何设备或者支架都无法承受的。
2.2管道热补偿
为了吸收管道热伸长和消除管道所产生的热应力，在设计中，必须考虑管道的热补偿，补偿分自然补偿和人工补偿2种。自然补偿是指充分利用管道自身的弹性弯曲和扭转变形，以达到热胀和冷缩的要求；人工补偿是在有热胀或冷缩的管道上人为的装设补偿元件，如方形补偿器、套筒补偿器、波纹管补偿器和球形补偿器等，补偿元件因其自身的柔性而具有补偿功能。
热补偿设计时首先应充分利用管道本身的自然弯曲进行补偿，当弯管转角小于150o时用自然补偿；大于150o时不能用自然补偿。动力管道设计中自然补偿常采用L型直角弯，Z字形折角弯及空间立体弯三类自然补偿。
空间立体管段补偿能力是否能够依靠自身的弹性变形来吸收热应力形变，必须通过计算进行判定，可按公式（2）判别：
（2）
式中， —管道的公称直径，cm；
—管系总变形量，cm；
—管系在两固定端之间的展开长度；
—管系在两固定端之间的直线距离，m。
应用公式（2）时应保证管材管径一致且两端必须固定，中间无限位支吊点和分支管。如果满足公式（2），则说明管系具有足够的弹性，热应力形变导致的端点位移所产生的作用力在许可范围之内。
蒸汽管道补偿设计的核心是管道的应力分析计算，采用应力分析软件进行应力计算主要分3步：（1）绘制初步的管线布置图，以固定支架和设备划定需要计算的管道系统；（2）正确设置配置文件；（3）输入管系的各项计算参数，如设计压力、设计温度、管径、材质以及管件、支吊架形式和位置等，程序便进行静态和动态分析。若应力分析计算未通过，则调整管道的走向、改变补偿结构、改变支架和吊架的形式和位置，重新验算直至合格通过。
3 蒸汽管道热补偿设计中应注意的几个问题
3.1支架的设置
蒸汽管系所受载荷主要是外力载荷和位移载荷，设置管架的目的在于消除外载作用在设备或管道上的作用力，将管道系统分割成简单稳定、可独立膨胀的管段，同时用来承受管道因热胀冷缩所产生的推力，其推力大小与管径、温度、支架位置和补偿器的形式有关，一般应考虑三个方面：
（1）管段的热伸长在补偿器的允许补偿量范围内；
（2）管道不产生纵向弯曲，特别是对同轴度要求较高的补偿器，固定支架的间距尤为重要。为保证补偿器的同轴度，补偿器应安装在固定支架旁的直管段上，活动侧设导向支架。
（3）2个固定支架之间的管段不应安装多个单式补偿器，除了两端设备外，中间支架应全为滑动管托。
为避免选用多个补偿器，设计时应首先简化管道系统，再确定管道的位移、固定支架及其受力分布情况，最后确定固定和导向支架。
3.2补偿器的应用
一般而言，高温和大直径的管道系统适合使用波纹管补偿器，其优点是吸收位移大并且使得管道系统美观和紧凑。但由于波纹管补偿器自身结构的原因，波纹管补偿器也成为管道系统中最为薄弱的环节，因此在决定使用波纹管补偿器时，应对管道系统进行详细而且严格的应力分析，从而决定安装波纹管补偿器的位置以及型式，不可以盲目的随意使用。
波纹管补偿器在应用时必须考虑内压推力和弹性反力，许多蒸汽管道的运行事故，如支架移位、弯头撕裂等，都是由于对固定支架受力估计不足导致的。内压推力是内压作用在波纹管壁上的力，它可沿波纹管壁传至固定支架上，力的大小可根据公式（3）计算：
（ 3 ）
式中， —为管道的内压推力，N；
—为管道的内压力，M Pa；
—为波纹管的有效面积，mm2。
而弹性反力按公式（4）计算：
（ 4 ）
式中， —为波纹管的轴向刚度， ；
—为波纹管吸收的轴向位移量，mm。 如某蒸汽管道直径为800mm，波纹管的有效面积为587700mm2，轴向刚度为1090 ，补偿量为150mm，管道内压力为1.6MPa，根据公式（3）、（4）可得内压推力F=940KN，弹性反力F’=163.5KN，这么大的推力对支架或设备元件都将构成很大威胁。
3.3不平衡力
在管道阀门、盲端或支管与主管交汇处，管道内介质的流动会对管道产生盲板力，通过管道传递至附近的固定支架上。当在两个固定支架之间设置套简或轴向波纹补偿器，补偿器一侧有阀门且阀门关闭，或固定支架设置位置靠近弯管段，内压力的作用将有使补偿器脱下的趋势。因此固定支架必需有足够的刚度，以抵抗使补偿器脱开的盲板力。
3.4管道水击
由于蒸汽管道间断运行，管道中产生凝结水不能排出来，冷凝水在蒸汽的压力作用下，会对管壁产生冲击，水击产生的能量释放不出来，最终作用在管道保温结构、支架、补偿器及阀门上。但因管道是刚性的，抗水击能力强，波纹补偿器波纹是柔性体，无法抵御水击瞬间剧增压力波冲击振动，造成破坏。波纹补偿器最薄弱的环节是波纹补偿器的波纹，水击的结果造成波纹变形甚至破裂。
防止管道水击的措施：根据热负荷合理确定相应管径，有针对性的设置好疏水点，及时进行疏水。在补偿器的设计布置方式上，也应加以改进，建议将波纹补偿器远离弯头及上翻处的固定支架，改在靠近另一侧的固定支架，这样即使管道中存在少量积水，但作用位置远离补偿器，可大大减少水击的对波纹补偿器造成的破坏。
4蒸汽管道热补偿失效的案例分析
4.1工程概况
某工程蒸汽管利用支架架空敷设，管材为20#无缝钢管，管径D325x8mm，总长度1200米，为防止管道运行时带来较大的热伸长和热应力，布置了波纹补偿器并设置了疏排水及导向支架，如图1、2所示。
图1 部分管道安装图
图2 部分管道安装图
运行一段时间后，在56#至62#管架之间的管道出现位移现象，其中57#至62#滑动支座脱离支架朝南发生位移约200mm，5#固定支架倾倒，48#管架处波纹补偿器已被压扁，压缩量200mm。
4.2波纹补偿器失效原因分析
（1）滑动支架、管道发生位移
按照规范要求，在两个固定支座间设置的轴向位移补偿器，宜一端靠近固定支座安装，同时与导向支架的安装距离也要合理，如图3所示。图纸设计的波纹补偿器与第一、第二导向支架的间距，不符合要求，从而导致滑动支座脱离支架，管道出现位移偏差，所以施工时要注意波纹补偿器安装布置问题。
图3 支座设置
（2）支架倾倒
5#、7#支架在施工中处遇到障碍，5#支架处的波纹补偿器改成方形补偿器，这两种补偿器对固定支架的作用力是不同的，施工单位对此没有充分认识，使原来设计承受很小推力的固定支架承受很大推力，导致支架倾倒事故发生。
（3）补偿器变形破坏
经对现场安装的波纹补偿器勘查，发现其安装时出现偏斜，造成波纹补偿器主要受力方向不是轴向力，而是偏向力，偏向力对补偿器产生一定的扭矩，而波纹补偿器管壁较薄抗扭矩能力差，致使补偿器变形破坏。
5结论：
任何一个环节的失控都会导致补偿器寿命的降低甚至失效，在进行蒸汽管网设计、补偿器选型计算和布置、组织施工时，要充分考虑各种因素：
（1）设置支架时保证管道不产生纵向弯曲；补偿器应安装在固定支架旁的直管段上，活动侧设导向支架；2个固定支架之间的管段不应安装多个单式补偿器。
（2）为防止内压推力和弹性反力造成破坏，补偿器宜成对布置，以利于减少固定支架受力；在选用轴向型补偿器时应优先采用外压轴向型。
（3）固定支架必需有足够的刚度，以抵抗使补偿器脱开的盲板力；补偿器最好在靠近弯头的固定支架附近布置，有利于减少固定支架受力。
（4）设置好疏水点，及时进行疏水；将波纹补偿器远离弯头及上翻处的固定支架，改在靠近另一侧固定支架，减少水击的对波纹补偿器造成的破坏。
只要我们在蒸汽管道施工中掌握原则，正确运用，就可杜绝安全事故的发生。
参考文献：
[1]董同武. 热力管道的补偿设计及典型问题分析[J]. 石油化工设备，2005，34（1）：38-40.
[2]吴继林. 蒸汽管道热补偿设计相关问题的分析[J]. 化学工业与工程技术，2005，26（4）：41-44.
[3]武文华. 蒸汽管道热力补偿失效问题分析[J]. 工业安全与环保，2008，34（4）：62-63.
[4]李汉明. 波纹补偿器在管系工程中应用[J]. 冶金设备，2006，34（5）：77-79.
[5]刘纯. 蒸汽管道应力分析和支吊架调整[J]. 锅炉技术，2006，37（4）：44-46.
关键词：架空敷设蒸汽管道；架空支架；波纹管补偿器；应力计算
1引言
蒸汽管道的运行温度和压力都很高，必须考虑管道的热应力变化，并采取相应的措施，否则，由此产生的作用力将通过管道系统传递到固定支架和相连的设备上，对设备以及管道的安全运行构成很大的威胁，易造成安全事故。为保证管道在热状态下运行的稳定和安全，减少管道热胀冷缩时所产生的应力，蒸汽管道的设计中，必须充分考虑管道的热补偿问题。
2热应力变化与补偿
2.1热应力变化
管道内供热介质及周围环境发生变化，将引起管道的热胀冷缩，产生热伸长和热应力变化，使管壁产生巨大的应力，若管线两端不固定，允许其自由变形，则管壁的应力变化对管的强度没有什么影响。但若管线两端都固定，不能自由伸缩，则管线因热应力变化而对固定点产生巨大的推拉力，该力可根据公式（1）计算：
（1）
式中， —为管线材料的弹性模量，M Pa；
—为管线材料的应变；
—钢管的截面积；
—为管线材料的线膨胀系数， ；
—为管线安装时的长度，m；
—为工作温度与安装温度之间的差值， 。
在直段两端固定情况下，单位长度的 #（D219x6mm）无缝钢管，在200 的环境中工作时，其管线的热应力可计算得 ，远大于 #钢在200 时的许用应力123MPa，钢管壁截面积为4013 ，根据公式（1）可计算出管线对固定支架的作用力 ，如此大的推力是任何设备或者支架都无法承受的。
2.2管道热补偿
为了吸收管道热伸长和消除管道所产生的热应力，在设计中，必须考虑管道的热补偿，补偿分自然补偿和人工补偿2种。自然补偿是指充分利用管道自身的弹性弯曲和扭转变形，以达到热胀和冷缩的要求；人工补偿是在有热胀或冷缩的管道上人为的装设补偿元件，如方形补偿器、套筒补偿器、波纹管补偿器和球形补偿器等，补偿元件因其自身的柔性而具有补偿功能。
热补偿设计时首先应充分利用管道本身的自然弯曲进行补偿，当弯管转角小于150o时用自然补偿；大于150o时不能用自然补偿。动力管道设计中自然补偿常采用L型直角弯，Z字形折角弯及空间立体弯三类自然补偿。
空间立体管段补偿能力是否能够依靠自身的弹性变形来吸收热应力形变，必须通过计算进行判定，可按公式（2）判别：
（2）
式中， —管道的公称直径，cm；
—管系总变形量，cm；
—管系在两固定端之间的展开长度；
—管系在两固定端之间的直线距离，m。
应用公式（2）时应保证管材管径一致且两端必须固定，中间无限位支吊点和分支管。如果满足公式（2），则说明管系具有足够的弹性，热应力形变导致的端点位移所产生的作用力在许可范围之内。
蒸汽管道补偿设计的核心是管道的应力分析计算，采用应力分析软件进行应力计算主要分3步：（1）绘制初步的管线布置图，以固定支架和设备划定需要计算的管道系统；（2）正确设置配置文件；（3）输入管系的各项计算参数，如设计压力、设计温度、管径、材质以及管件、支吊架形式和位置等，程序便进行静态和动态分析。若应力分析计算未通过，则调整管道的走向、改变补偿结构、改变支架和吊架的形式和位置，重新验算直至合格通过。
3 蒸汽管道热补偿设计中应注意的几个问题
3.1支架的设置
蒸汽管系所受载荷主要是外力载荷和位移载荷，设置管架的目的在于消除外载作用在设备或管道上的作用力，将管道系统分割成简单稳定、可独立膨胀的管段，同时用来承受管道因热胀冷缩所产生的推力，其推力大小与管径、温度、支架位置和补偿器的形式有关，一般应考虑三个方面：
（1）管段的热伸长在补偿器的允许补偿量范围内；
（2）管道不产生纵向弯曲，特别是对同轴度要求较高的补偿器，固定支架的间距尤为重要。为保证补偿器的同轴度，补偿器应安装在固定支架旁的直管段上，活动侧设导向支架。
（3）2个固定支架之间的管段不应安装多个单式补偿器，除了两端设备外，中间支架应全为滑动管托。
为避免选用多个补偿器，设计时应首先简化管道系统，再确定管道的位移、固定支架及其受力分布情况，最后确定固定和导向支架。
3.2补偿器的应用
一般而言，高温和大直径的管道系统适合使用波纹管补偿器，其优点是吸收位移大并且使得管道系统美观和紧凑。但由于波纹管补偿器自身结构的原因，波纹管补偿器也成为管道系统中最为薄弱的环节，因此在决定使用波纹管补偿器时，应对管道系统进行详细而且严格的应力分析，从而决定安装波纹管补偿器的位置以及型式，不可以盲目的随意使用。
波纹管补偿器在应用时必须考虑内压推力和弹性反力，许多蒸汽管道的运行事故，如支架移位、弯头撕裂等，都是由于对固定支架受力估计不足导致的。内压推力是内压作用在波纹管壁上的力，它可沿波纹管壁传至固定支架上，力的大小可根据公式（3）计算：
（ 3 ）
式中， —为管道的内压推力，N；
—为管道的内压力，M Pa；
—为波纹管的有效面积，mm2。
而弹性反力按公式（4）计算：
（ 4 ）
式中， —为波纹管的轴向刚度， ；
—为波纹管吸收的轴向位移量，mm。 如某蒸汽管道直径为800mm，波纹管的有效面积为587700mm2，轴向刚度为1090 ，补偿量为150mm，管道内压力为1.6MPa，根据公式（3）、（4）可得内压推力F=940KN，弹性反力F’=163.5KN，这么大的推力对支架或设备元件都将构成很大威胁。
3.3不平衡力
在管道阀门、盲端或支管与主管交汇处，管道内介质的流动会对管道产生盲板力，通过管道传递至附近的固定支架上。当在两个固定支架之间设置套简或轴向波纹补偿器，补偿器一侧有阀门且阀门关闭，或固定支架设置位置靠近弯管段，内压力的作用将有使补偿器脱下的趋势。因此固定支架必需有足够的刚度，以抵抗使补偿器脱开的盲板力。
3.4管道水击
由于蒸汽管道间断运行，管道中产生凝结水不能排出来，冷凝水在蒸汽的压力作用下，会对管壁产生冲击，水击产生的能量释放不出来，最终作用在管道保温结构、支架、补偿器及阀门上。但因管道是刚性的，抗水击能力强，波纹补偿器波纹是柔性体，无法抵御水击瞬间剧增压力波冲击振动，造成破坏。波纹补偿器最薄弱的环节是波纹补偿器的波纹，水击的结果造成波纹变形甚至破裂。
防止管道水击的措施：根据热负荷合理确定相应管径，有针对性的设置好疏水点，及时进行疏水。在补偿器的设计布置方式上，也应加以改进，建议将波纹补偿器远离弯头及上翻处的固定支架，改在靠近另一侧的固定支架，这样即使管道中存在少量积水，但作用位置远离补偿器，可大大减少水击的对波纹补偿器造成的破坏。
4蒸汽管道热补偿失效的案例分析
4.1工程概况
某工程蒸汽管利用支架架空敷设，管材为20#无缝钢管，管径D325x8mm，总长度1200米，为防止管道运行时带来较大的热伸长和热应力，布置了波纹补偿器并设置了疏排水及导向支架，如图1、2所示。
图1 部分管道安装图
图2 部分管道安装图
运行一段时间后，在56#至62#管架之间的管道出现位移现象，其中57#至62#滑动支座脱离支架朝南发生位移约200mm，5#固定支架倾倒，48#管架处波纹补偿器已被压扁，压缩量200mm。
4.2波纹补偿器失效原因分析
（1）滑动支架、管道发生位移
按照规范要求，在两个固定支座间设置的轴向位移补偿器，宜一端靠近固定支座安装，同时与导向支架的安装距离也要合理，如图3所示。图纸设计的波纹补偿器与第一、第二导向支架的间距，不符合要求，从而导致滑动支座脱离支架，管道出现位移偏差，所以施工时要注意波纹补偿器安装布置问题。
图3 支座设置
（2）支架倾倒
5#、7#支架在施工中处遇到障碍，5#支架处的波纹补偿器改成方形补偿器，这两种补偿器对固定支架的作用力是不同的，施工单位对此没有充分认识，使原来设计承受很小推力的固定支架承受很大推力，导致支架倾倒事故发生。
（3）补偿器变形破坏
经对现场安装的波纹补偿器勘查，发现其安装时出现偏斜，造成波纹补偿器主要受力方向不是轴向力，而是偏向力，偏向力对补偿器产生一定的扭矩，而波纹补偿器管壁较薄抗扭矩能力差，致使补偿器变形破坏。
5结论：
任何一个环节的失控都会导致补偿器寿命的降低甚至失效，在进行蒸汽管网设计、补偿器选型计算和布置、组织施工时，要充分考虑各种因素：
（1）设置支架时保证管道不产生纵向弯曲；补偿器应安装在固定支架旁的直管段上，活动侧设导向支架；2个固定支架之间的管段不应安装多个单式补偿器。
（2）为防止内压推力和弹性反力造成破坏，补偿器宜成对布置，以利于减少固定支架受力；在选用轴向型补偿器时应优先采用外压轴向型。
（3）固定支架必需有足够的刚度，以抵抗使补偿器脱开的盲板力；补偿器最好在靠近弯头的固定支架附近布置，有利于减少固定支架受力。
（4）设置好疏水点，及时进行疏水；将波纹补偿器远离弯头及上翻处的固定支架，改在靠近另一侧固定支架，减少水击的对波纹补偿器造成的破坏。
只要我们在蒸汽管道施工中掌握原则，正确运用，就可杜绝安全事故的发生。
参考文献：
[1]董同武. 热力管道的补偿设计及典型问题分析[J]. 石油化工设备，2005，34（1）：38-40.
[2]吴继林. 蒸汽管道热补偿设计相关问题的分析[J]. 化学工业与工程技术，2005，26（4）：41-44.
[3]武文华. 蒸汽管道热力补偿失效问题分析[J]. 工业安全与环保，2008，34（4）：62-63.
[4]李汉明. 波纹补偿器在管系工程中应用[J]. 冶金设备，2006，34（5）：77-79.
[5]刘纯. 蒸汽管道应力分析和支吊架调整[J]. 锅炉技术，2006，37（4）：44-46.