補償器簡介
[1]補償器的功能及工作原理
波紋管補償器習慣上也叫膨脹節、伸縮節，由構成其工作主體的波紋管（一種彈性元件）和端管、支架、法 蘭、導管等附件組成。是用以利用波紋管補償器的彈性元件的有效伸縮變形來吸收管線、導管或容器由熱脹冷縮等原因而產生的尺寸變化的一種補償裝置，屬于一種 補償元件�？蓪S向，橫向，和角向位移的的吸收，用于在管道、設備及系統的加熱位移、機械位移吸收振動、降低噪音等.在現代工業中用途廣泛。
2.補償器執行標準：
金屬波紋管采用GB/T12777-2008
　　 金屬波紋管----補償器選用U形波，分單層和多層制成，有較大的補償量，耐壓可高達4Mpa，使用溫度----1960C一≤450度，結構緊湊，使用 成本低，耐腐蝕，彈性好，鋼度值低，允許疲勞度壽命1000次，解決了管道熱脹冷縮，位移和機械高頻振動與管道之間的柔性聯接，廣泛用于石油、熱力、電 力、煤氣、化工等管路上安裝。
3.補償器連接方式：
4.補償器類型：
　　 補償器分為軸向型、橫向型、角向型三大類型二十多個品種。
　　 軸向型補償器主要包括：內壓式、外壓式、復式、平衡式、直埋式補償器等。
　　 橫向型補償器包括：大拉桿橫向補償器、萬向鉸鏈橫向型補償器等。
　　 角向型補償器包括：鉸鏈補償器、萬向鉸鏈補償器等。
二.補償器作用：
　　補償器也稱伸縮器、膨脹節、波紋補償器。補償器分為：波紋補償器、套筒補償器、旋轉補償器、方形自然補償器等幾大類型，其中以波紋補償器較為常用，主要為保障管道安全運行，具有以下作用：
　　 1.補償吸收管道軸向、橫向、角向熱變形。
　　 2. 波紋補償器伸縮量，方便閥門管道的安裝與拆卸。
　　 3.吸收設備振動，減少設備振動對管道的影響。
　　 4.吸收地震、地陷對管道的變形量。
　　 方形自然補償器有兩個作用：
　　 1.在管道穿越基礎梁或地下室墻的時候，為了避免基礎的沉降對管道的壓力，需要安裝方形補償器。
　　 2.在熱力管道過長的情況下，需要安裝方形補償器來減小‘熱脹冷縮’對管道的拉伸。
三.管道的熱變形計算：
　　 計算公式：X=a*L*△T
　　 x 管道膨脹量
　　 a為線膨脹系數，取0.0133mm/m
　　 L補償管線（所需補償管道固定支座間的距離）長度
　　 △T為溫差（介質溫度-安裝時環境溫度）
　　 三.關于軸向型、橫向型和角向型補償器對管系及管架設計的要求
（一）軸向型補償器
　　 1、安裝軸向型補償器的管段，在管道的盲端、彎頭、變截面處，裝有截止閥或減壓閥的部們及側支管線進入主管線入口處，都要設置主固定管架。主固定管架要考慮波紋管靜壓推力及變形彈性力的作用。推力計算公式如下：
　　 Fp=100*P*A
　　 Fp-補償器軸向壓力推（N），
　　 A-對應于波紋平均直徑的有效面積（cm2），
　　 P-此管段管道最高壓力（MPa）。
　　 軸向彈性力的計算公式如下：
　　 Fx=f*Kx*X
　　 FX-補償器軸向彈性力（N），
　　 KX-補償器軸向剛度（N/mm）；
　　 f-系數，當“預變形”（包括預變形量△X=0）時，f=1/2，否則f=1。
　　 管道除上述部位外，可設置中間固定管架。中間固定管架可不考慮壓力推力的作用。
　　 2、在管段的兩個固定管架之間，僅能設置一個軸向型補償器。
　　 3、固定管架和導向管架的分布推薦按下圖配置。
　　 補償器一端應靠近固定管架，若過長則要按第一導向架的設置要求設置導向架，其它導向架的最大間距可按下計算：
　　 LGmax-最大導向間距（m）；
　　 E-管道材料彈性模量（N/cm2）；
　　 i-tp 管道斷面慣性矩（cm4）；
　　 KX-補償器軸向剛度（N/mm），
　　 X0-補償額定位移量（mm）。
　　 當補償器壓縮變形時，符號“+”，拉伸變形時，符合為“-”。當管道壁厚按標準壁厚設計時，LGmax可按有關標準選取。
（二）橫向型及角向型補償器
　　 1、裝在管道彎頭附近的橫向型補償器，兩端各高一導向支座，其中一個宜是平面導向管座，其上、下活動間隙按下式計算：
　　 ε-活動間隙（mm）；
　　 L-補償器有效長度（mm）；
　　 △Y-管段熱膨脹量（mm）；
　　 △X-不包括L長度在內的垂直管段的熱膨脹量（mm）；
　　 2、角向型補償器宜兩個或三個為一組配套使用，用以吸收管道的橫向位移，對Z形和L形管段兩個固定管架之間，只允許安裝一個橫向型補償器或一組角向型補償器。此時平面鉸鏈銷的軸線必須垂直于彎曲管段形成的平面（萬向鉸鏈補償器不受此限制）。
　　 裝有一組鉸鏈補償器的管段，其平面導向架的間隙ε亦可按上式計算。但是L長度應為兩補償器鉸鏈軸之間的距離，△X是整個垂直管段的熱膨脹量。
　　 3、補償器兩側的導向支座應接近補償器，支座的型式應使補償器能定向運動。
三.供熱管道直埋式補償器安裝要求
　　 （一）用途：
　　 直埋式波紋補償器主要用于直埋管線的軸向補償，具有抗彎能力，所以可不考慮管道下沉的影響，產品具有補償量大，壽命長的特點。
　　 （二）使用說明：
　　 直埋式波紋補償器主要適用于軸向補償，同時具有超強抗彎能力，所以不考慮管道下沉的影響。直埋式波紋補償外殼及導向套筒保護下實現自由伸縮補償，其它性能跟普通波紋補償器相同。
　　 （三）選用與安裝：
　　 3.1管道最大安裝長度計算
　　 有補償直埋的管道應在二處高固定點，一是在直管段的端部，二是在管道的分支處。長的無分支的直線管道兩補償器之間可以不設固定點，靠管道自然形成的“駐 點”即可發揮固定點的作用。駐點是兩補償器之間管道的那個不動點，在管徑相同，埋深一致時，駐點與兩補償器間的距離相等。褡補償器（包括轉角處自然補償 器）至固定點之間的距離不得超過管道的最大安裝長度Lmax，管道最大安裝長度的定義是固定點至自由端（補償器）的長度，在此長度下產生的摩擦力不得超過 管道許用應力下相應的彈性力。
　　 Lmax按下式計算：
　　 常用管道的最大安裝長度Lmax。應考慮16kgf/cm2內壓力所產生的環向應力的綜合影響。
　　 3.2固定支座的設計計算
　　　具有2個管道分支并在主干線上有一處轉角管道平面，補償器的布置應滿足Ln＜Lmax的條件。 駐點G1、G2的推力為零，所以，此點處不必設置固定支座，但為了防止回填土的不均勻，埋深的不一致和預制保溫管外殼粗糙度的不規則等可能會造成駐點的漂 移，所以，對處于駐點位置的管道分支處G1、G2需設置支座，以G1為例其軸向推力可按下式計算：
　　 F1=Pb2+L2f-0.8(Pb3+L2f)
　　 式中F1-固定支座G1的水平推力，kgf； f-管道單位長度摩擦力，Kgf/m
　　 Pb2-B2膨脹節的彈性力，Kg； Pb3-B3膨脹節的彈性力，Kgf
　　 k2-B2膨脹節的剛度，Kgf/mm；
　　 △L2-B2膨脹節的補償量，mm；
　　 L2-膨脹節至G1的距離，m；
　　 假如某一分支如自G2接出的分支帶有補償器B。那么，G2還受到一側向推力的作用，如圖中的F2（y），當L5很短（實際布置時L5也應很短），那么，側向力F2（y）的大小為：
　　 F2(y)=Pn*A5+Pb5
　　 式中Pn-管道工作壓力，Kgf/cm2
　　 A5-B5膨脹節的有效面積，cm2；
　　 Pb5-B5膨脹節的彈性力kgf。
　　 固定支座G3也駐點位置，從管道和土壤的摩擦力來講，該點也受到大小相等，方向相反的兩個時作用，但應注意到該點同時又受到轉角處的盲板力的作用，考慮駐點漂移的影響，固定支座G3的推力
　　 F3=1.2Pn*A4
　　 式中F3-作用在固定支座G3的水平推力，Kgf；
　　 Pn-管道工作壓力，Kgf/cm2；
　　 A4-B4膨脹節的有效面積，cm2。
　　 3.3補償器的選用計算
　　 直埋管道由于土壤摩擦力的影響,實際熱伸長量要比架空和地溝敷設的管道熱熱伸長量要小。
　　 架空和地溝敷設時的伸長量：α·△t·L
　　 直埋敷設時，因土壤摩擦力影響的熱伸長減少量：
　　 實際熱伸長量為：
　　 式中E-鋼管彈性模理，kgf/cm2；
　　 α-鋼管的線膨脹系數，取0.0133mm/m℃；
　　 △t-管道溫差；
　　 A、f-同公式①；
　　 L-兩固定點之間的距離（最大安裝長度）m。
　　 在實際工作中，直埋管道的熱伸長量，采用丹麥摩勒公司的簡化算法。
　　 式中符號同以上公式相同。
　　 按②或③式計算出實際熱伸長量后，按系列表選用相應的補償器。
　　 3.4安裝
　　 直埋式膨脹節（不包括一次性直埋式）安裝時應有兩個后年度護圈（如下圖），且護圈的壁厚不應小于管道的壁厚，設置護圈1的目的是為管道受熱膨脹時，A尺寸范圍內有土、砂等進入，圖中的各尺寸為：
　　 直埋式波紋補償器出廠時，所有外露表面已刷防銹漆兩遍，直埋式波紋補償器及其直埋管道的其它要求為：
　　 （1）保溫管埋于地下時，四周需用粒度小于20毫米的砂子填充，然后再覆蓋原土，填充砂子的厚度不小于200毫米。
　　 （2）保溫管頂的埋深一般不超過1.2米，但也盡量不要小于0.7米，，保溫管可直接埋在各種管道下面。
　　 （3）如圖，除A處外，其余均保溫，因管道膨脹時A處不保溫并不會造成顯著的熱損失。也是由于護圈的作用，直埋補償器可以直埋處于車行道下面。
　　 （4）直埋式補償器安裝不必冷緊，也不必按全線鋼管接好后再割下和膨脹節等長管道之后再焊接的方法。使用直埋型膨脹節，不必設導向支架。
　　 （5）安裝時要注意保證導流套筒的方向與流動方向的一致。
　　 （6）補償器內介質應進行除游離氧和除氯離子處理，氯離子含量不得超過25PPm。
　　 （7）補償器允許不超過1.5倍公稱壓力的系統水壓試驗。
　　 （8）補償器安裝完畢進行系統水壓試驗前，要將管道兩端固定，防止內壓推力拉伸補償器。
四.補償器安裝和使用要求
　　 1、補償器在安裝前應先檢查其型號、規格及管道配置情況，必須符合設計要求。
　　 2、對帶內套筒的補償器應注意使內套筒子的方向與介質流動方向一致，鉸鏈型補償器的鉸鏈轉動平面應與位移轉動平面一致。
　　 3、需要進行“冷緊”的補償器，預變形所用的輔助構件應在管路安裝完畢后方可拆除。
　　 4、嚴禁用波紋補償器變形的方法來調整管道的安裝超差，以免影響補償器的正常功能、降低使用壽命及增加管系、設備、支承構件的載荷。
　　 5、安裝過程中，不允許焊渣飛濺到波殼表面，不允許波殼受到其它機械損傷。
　　 6、管系安裝完畢后，應盡快拆除波紋補償器上用作安裝運輸的黃色輔助定位構件及緊固件，并按設計要求將限位裝置調到規定位置，使管系在環境條件下有充分的補償能力。
　　 7、補償器所有活動元件不得被外部構件卡死或限制其活動范圍，應保證各活動部位的正常動作。
　　 8、水壓試驗時，應對裝有補償器管路端部的次固定管架進行加固，使管路不發生移動或轉動。對用于氣體介質的補償器及其連接管路，要注意充水時是否需要增設臨時支架。水壓試驗用水清洗液的96氯離子含量不超過25PPM。
　　 9、水壓試驗結束后，應盡快排波殼中的積水，并迅速將波殼內表面吹干。
　　 10、與補償器波紋管接觸的保溫材料應不含氯離子。
　　 補償器產品分類：QB型球補償器，DSB-I、II型、單向自導式伸縮補償器，JTW型通用軟管，不銹鋼減震波紋補償器，直埋式波紋補償器，FUB風道補 償器，軸向型外壓式波紋補償器JZW型，鉸鏈橫向型JJH、萬向鉸鏈JWJ型補償器，軸向型內壓式波紋補償器JDZ型，三維補償器。
　　 [補償器]淺析波紋管補償器失效原因 波紋管補償器之所以能夠在許多行業中得到廣泛應用，除具有良好的補償能力之外，高可靠性是主要原因。其可靠性是通過設計、制造、安裝、運行管理等多個環節 來保證的，任何一個環節的失控都會導致補償器壽命的降低甚至失效。作者經過多年統計發現，造成波紋管補償器失效的原因：設計占10%，制造廠家偷工減料占 50%，安裝不符合設備說明要求占20%，其余由運行管理不當引起。
　　 2、波紋管補償器的失效類型及原因分析
　　　2.1 失效類型
　　 波紋管的失效在管線試壓和運行期間均有發生。管線試壓時出現問題主要有三種類型：由于管系臨時支撐不當，或管系固定支架設置不合理，導致支架破壞，波紋管 過量變形而失效；由于波紋管設計所考慮的壓力或位移安全富裕度不夠，管線試壓時波紋管產生失穩變形失效；補償器制造質量問題，制造廠偷工減料，5層不銹鋼 私自改為3層或更少。
　　 波紋管在運行期間的失效主要表現為腐蝕泄漏和失穩變形兩種形式，其中以腐蝕失效居多。從腐蝕失效波紋管的解剖分析發現，腐蝕失效通常分點腐蝕穿孔和應力腐 蝕開裂，其中氯離子應力腐蝕開裂約占整個腐蝕失效的95％。波紋管失穩有強度失穩和結構失穩兩種類型，強度失穩包括內外壓波紋管平面失穩和外壓波紋管周向 失穩；結構失穩是內壓波紋管補償器的柱失穩。
　　 2.2 設計疲勞壽命與穩定性及應力腐蝕的關系
　　 波紋管的設計主要考慮耐壓強度、穩定性和疲勞性能等三個方面的因素。雖然國家標準和美國EJMA標準對這幾方面的計算和評定都有明確的規定，但從多年的應 用實踐和波紋管失效分析中發現，標準中給出的關于穩定性的計算和評定方法不夠全面，且疲勞壽命也僅給出了比較粗的界限范圍（平均疲勞壽命在 103～105適用）。有時一個完全符合標準要求的產品，在實際使用時也會出現一些問題。如內壓軸向型補償器預變位狀態在壓力試驗時波紋管易產生平面失 穩，大直徑外壓軸向型補償器全位移工作狀態波紋管易產生周向失穩，小直徑復式拉桿型補償器、鉸鏈型補償器全位移工作狀態易產生柱失穩。波紋管過大的變形不 僅對其穩定性造成影響，還會為應力腐蝕提供有利的環境條件。
　　 2.2.1 波紋管疲勞壽命與其綜合應力 波紋管的補償量取決于其疲勞壽命，疲勞壽命越高，波紋管單波補償量越小。為了降低成本，提高單波補償量，有些生產廠家將波紋管的許用疲勞壽命降得很低，這 樣會導致由位移引起的波紋管子午向彎曲應力很大，綜合應力很高，大大降低了波紋管的穩定性。表1給出了無加強U形波紋管許用疲勞壽命與子午向綜合應力及單 波補償量之間的關系。
　　 2.2.2 波紋管的綜合應力與其耐壓強度 由標準中給出的波紋管平面穩定性和周向穩定性的計算方法和評定標準可以看出，二者反映的均為強度問題。當波紋管設計的許用壽命較低時，不僅其子午向綜合應 力較高，環向應力也比較高，使波紋管局部很快進入塑性變形，導致波紋管失穩。
　　 對于內壓波紋管，位移應力在波紋管波峰和波谷處形成塑性鉸，再加上壓力應力，波紋管很快產生平面失穩。這就是低疲勞壽命波紋管在位移條件下平面失穩壓力遠 低于高疲勞壽命的波紋管的根本原因。例如在預變位狀態下，即波紋管位移量為許用值的1/2時，一個許用疲勞壽命為200次的波紋管，尚未達到其允許設計壓 力時，已經產生平面失穩；許用疲勞壽命為1000次的波紋管，達到設計壓力時，波紋管處于平面穩定狀態，達到1.5倍設計壓力時，波紋管處于臨界失穩狀 態；許用疲勞壽命為2000次的波紋管達到設計壓力1.5倍時，波紋管仍處于平面穩定狀態。
　　 從外壓波紋管縱向剖面看，相當于一個受壓力的拱梁，工作時波紋管處于拉伸狀態，相當于拱梁降低了拱高，其抗失穩的能力自然降低。當波紋管單波位移過大時， 波紋平直部分傾斜，使得波紋管波峰直徑有縮小的趨勢，但波峰圓環直徑是確定的，為了協調變形，就會產生波峰塌陷，波紋管周向失穩。在國內外相應的標準中， 關于位移對波紋管外壓周向穩定性的影響均未涉及，有待于深入探討。
　　 綜上所述，雖然至今為止在熱力管網的應用過程中尚未發現由疲勞而引起的破壞，但波紋管過低的設計疲勞壽命，將會導致災難性的后果。
　　 2.2.3 補償器位移與其柱穩定性 對于復式拉桿型和鉸鏈型補償器，橫向位移是由波紋管角變位引起中間管段傾斜實現的。當波紋管產生角變位時，波紋管凸出側承壓面積大于凹陷側承壓面積，導致 補償器附加了一個橫向力，較之軸向型補償器更易產生柱失穩。顯然波紋管單波位移越大，補償器橫向位移越大，越易產生柱失穩。
　　 　3、波紋管補償器的可靠性
　　　波紋管補償器的可靠性是由設計、制造、安裝及運行管理等多個環節構成的�？煽啃砸矐搹倪@幾個方面進行考慮。
　　 3.1 可靠性設計
　　 3.1.1 材料選擇 對用于供熱管網的波紋管的選材，除應考慮工作介質、工作溫度和外部環境外，還應考慮應力腐蝕的可能性、水處理劑和管道清洗劑對材料的影響等，并在此基礎上 結合波紋管材料的焊接、成型以及材料的性能價格比，優選出經濟實用的波紋管制作材料。
　　 一般情況下，選用波紋管的材料應滿足下列條件：（1）良好的塑性，便于波紋管的加工成形，且能通過隨后的處理工藝（冷作硬化、熱處理等）獲得足夠的硬度和 強度。（2）高彈性極限、抗拉強度和疲勞強度，保證波紋管正常工作。（3）良好的焊接性能，滿足波紋管在制作過程中的焊接工藝要求。（4）較好的耐腐蝕性 能，滿足波紋管在不同環境下工作要求。大多數生產廠家都采用奧氏體不銹鋼，如材料牌號為0Cr18Ni9（相當于304）、00Cr19Ni10（相當于 304L）、0Cr17NiMo2（相當于316）、00Cr17Ni4Mo2（相當于316L）。為了提高波紋管的耐蝕性，現供熱管網波紋管的用材多選 用316或316L，這兩種材料用于熱力管網應該是性能價格比較為優良的材料。
　　 對于地溝敷設的熱力管網，當補償器所處管道地勢較低時，雨水或事故性污水會浸泡波紋管，應考慮選用耐蝕性更強的材料，如鐵鎳合金、高鎳合金等。由于此類材料價格較高，在制造波紋管時，可以考慮僅在與腐蝕性介質接觸的表面增加一層耐蝕合金。
　　 3.1.2 疲勞壽命設計由波紋管補償器的失效類型及原因分析可以看出，波紋管的平面穩定性、周向穩定性及耐腐蝕性能均與其位移量即疲勞壽命相關。過低的疲勞壽命將會 導致波紋管穩定性及耐蝕性能下降。根據試驗和使用經驗，用于供熱工程的波紋管疲勞壽命應不小于1000次。
　　 大多數波紋管的失效是由外部環境腐蝕造成的，因此在進行補償器的結構設計時，可考慮隔絕外部腐蝕介質與波紋管的接觸。如對于外壓軸向型補償器可在出口端環 與出口管之間增加填料密封裝置，其作用相當于套筒補償器，既可抵擋外部腐蝕介質的侵入，又給波紋管補償器增加了一道安全屏障，即使波紋管破壞，補償器還可 以起到補償作用并避免波紋管失效。
　　 3.2 保證安裝質量
　　 波紋管不能承重，應單獨吊裝；除設計要求預拉伸或冷緊的預變形量外，嚴禁用使波紋管變形的方法來調整管道的安裝偏差；安裝過程不允許焊渣飛濺到波紋管表面 和受到其他機械性損傷；波紋管所有活動元件不得被外部構件卡死或限制其活動部位正常工作；水壓試驗用水須干凈、無腐蝕性，對奧氏體不銹鋼材質應嚴格控制水 中氯離子含量不超過25×10-6，并應及時排盡波紋中的積水等。
　　 4、結束語
　　　補償器存在的問題主要有波紋管的穩定性及腐蝕。通過合理的設計波紋管波形參數和疲勞壽命、安裝正確及管系應力分析完善等措施，可以解決波紋管的穩定性問題。對于腐蝕問題，可以通過兩種方式解決：
　　 （1）合理的波紋管選材和補償器結構設計，阻斷腐蝕源。
　　 （2）加強小室積水管理，從根本上解決腐蝕問題。