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【摘 要】针对冷冻站常用的补偿器进行了计算选用，结合工程实例，阐述了补偿器在实际应用中的重要性。
【关键词】管道补偿；自然补偿；人工补偿；圆形补偿器
[中图分类号]TB657[文献标识码] A [文章编号] T2011-12(03)-1219
0 前 言
管道补偿在化工装置中使用比较普遍的，这是由于它能够吸收来自管线产生的线位移和角位移，防止因此而引起的管道開裂，保护管道正常运行。在化工管道的设计中，补偿器的设计是一个很重要的方面。针对冷冻站制冷、冻结系统，由于管道的工作温度与安装时的环境温度不同，必然会产生热胀冷缩，如果通过管道自身的自然补偿不能满足管道的热胀冷缩的量，就应安装补偿装置，如不安装补偿装置，管道不能随温度变化而自由伸缩，管道将产生热应力，如果产生的热应力超过管材的允许拉伸或压缩应力，那势必导致管道开裂，引起制冷剂和载冷剂的泄露，污染环境，对人身造成伤害，引起不必要的经济损失。因此，在冷冻站制冷系统管道设计中，必须要考虑这种应力。但在实际的制冷、冻结系统设计中，往往被忽略，使得管道、支座甚至于管道相连的设备被损坏，从而影响冻结机房的正常运转。随着技术的发展，越来越多的深井开发，随之而带来的是需冷量越来越大，冷冻站的规模越来越大，超过100m低压侧制冷管道的直线段和超过50m的高压侧制冷管道直线段也越来越多，为了保证冷冻站的安全运行，合理选择和设计补偿器显得尤为重要。现就冷冻站制冷系统的管道补偿装置选用作简要探讨。
1 管道伸缩
冷冻站管道安装后，由于管道内的介质温度与环境温度有温差，而会引起管道的热胀冷缩，热胀冷缩的量是管道补偿器的设计依据之一，其伸缩变化的数值与管道的材质、温度变化的大小及管道长短有关系。下面介绍两种方法来判断氨制冷、冻结系统的管道是否需要进行热补偿。
1.1方法一
首先要根据公式（1.1）计算出管材由于温度变化引起的收缩量，再根据（1.2）计算出管道由此产生的热应力σ（如果管道可以自由伸缩，就不会产生热应力，如果管道两端是固定的，管道不能随温度变化而自由伸缩，管道将产生热应力），在管道设计中，管道的热应力不允许超过管材的许用或压缩应力，即如果σ＞[σ]，就应考虑管材的热补偿。
?驻L=α·L（t2-t1） （1.1）
式中?驻L——管道长度变化值，m；
α——管道材料的膨胀系数m/m·℃，普通碳素钢α
=12×10-6 m/m·℃；
L——管道长度，m；
t2——管道的工作温度，℃；
t1——管道的安装温度，℃。
σ=E·■ （1.2）
式中σ——热应力，MPa；
[σ]——管材的许用或压缩应力，普通无缝钢管 [σ]
=80MPa；
E——管材的弹性模数，MPa；钢E=2.1×105 MPa。
1.2方法二
根据方法一的已知条件，利用公式（冷冻站制冷、冻结系统的管道均为20#碳钢）计算得t2-t1=■=31.4℃。也就是说，从理论上讲当安装温度（环境温度）和介质工作温度之差＞31.4℃时，就需要进行热补偿；当安装温度（环境温度）和介质工作温度之差≤31.4℃时，就不需要进行热补偿。
2 常用的补偿方法
2.1自然补偿
自然补偿是利用管道的某一段弹性变形来吸收另一段热变形的补偿方法，是布置管道时自然形成的，不多费管材，也不增加介质的流动阻力，因此应尽量利用自然补偿，只有自然补偿不能满足要求时才采用人工补偿。在管道中布置适当的L型、Z型管段，即可有效地增加管道的柔性。这种补偿方法简单、运行可靠、投资少。
2.2 人工补偿
当管道上的位移量?驻L不能自然补偿时，就必须采用补偿器来补偿。根据《冷库设计规范》（GB50072-2010）6.5.7规定：低压侧制冷管道的直线段超过100m，高压侧制冷管道直线段超过50m，应设置一处管道补偿装置。补偿器也叫膨胀节。通常可分为自然补偿器（图1）、回折弯补偿器包括方形补偿器、圆形补偿器、波形补偿器和填料函式补偿器等。由于冷冻站
L型 T型 Z型 一般不用填料函式
图1 自然补偿器 补偿器，所以此处3 常用的补偿器不作介绍。
3.1自然补偿器
自然补偿器的工作原理:利用刚性较小的回折管的挠性变形来补偿两端直管部分的热伸长量。在管道补偿设计中，应首先考虑使用自然补偿，因为制作方便，工作可靠，由于自然补偿器要求添加轴向活动支座，它由妨碍着管道作横向位移，若支座配置不当会使管道的应力增大。
根据《冷库设计规范》规定，冷冻站的制冷冻结系统管道需要补偿的是直线段。所以，L型、Z型、T型自然补偿在此不作介绍。
3.2回折弯补偿器
回折弯补偿器是化工管道中最广泛采用的一种补偿器。将直管弯曲成一定的几何形状，便是回折弯式补偿器，常用的形状有方形和圆形(图2)。
回折弯式补偿器的优点是：加工简单、方便、经济，补偿能力大，通常可达400，轴向应力小。其缺点是：尺寸大，不能安装在狭窄部位；流体阻力大，变形时，两端的法兰和管道会受力至弯曲。在管径相同时方形比 方型 圆型 圆形制造方便，
图2回折弯补偿器 成本低，挠性大
3.3波形补偿器25％～30％。
波形补偿器是用3～4的钢板、红铜、铝板等金属薄片制成的。它利用金属本身的弹性伸缩来减小管道的热应力。每个波形可吸收膨胀值 5～15，波形总数一般不超过6个。波形补偿器的优点是体积小和结构严密，缺点是强度低，补偿能力小，通常只适用于直径?准＞150的低压管道和内压力＜0.7MPa的气体管道上。一般应用于保温高温管道，不适于安装在冷冻站的制冷、冻结管道系统中。
冷冻站的管道安装一般都用回折弯式补偿器。
4 回折弯式补偿器选用
4.1方形补偿器
方形补偿器的弹性力及能承受的变形量分别用公式（4.1）、（4.2）计算。
F＝■=■ （4.1）
?驻L=■（4.2）
式中F——热应力，kg；
?驻L——管道长度变化值，cm；
H——补偿器的高度，cm；
［σ］——管材的许用或压缩应力，钢管［σ］=800kg/cm2 ；
J——管子的截面惯性力矩，cm4；J=0.05（D 4-d 4），d —管
子的内径，cm；
D——管子的外径，cm；
N——补偿器的结构系数
N=9.42R3+14.94R2·a+7.8R·a2+1.33a3，
其中R=5D，a=H-2R。
当有足够的安装空间时，选用方形补偿器，先根据已知条件通过公式（1.1）计算出所需管道补偿量?驻L，再通过公式（4.1）计算出H值即方形补偿器的高度，再利用公式（4.2）验证热应力是否＜［σ］。
在工程实际应用中，为了增加方形补偿器的补偿能力，在安装时应对方形补偿器进行预冷紧，冷紧量为补偿量50%。
虽然方形补偿器从理论上能适用冷冻站的制冷、冻结系统的管道安装，但由于其所占空间很大，影响了其他设备支管的安装，所以在冷冻站的制冷系统管道安装中应用很少。
4.2圆形补偿器
圆形补偿器又叫伸缩弯，它的补偿能力大，可以适应较大的温度变化范围，但流动阻力也较大，当安装空间狭小时，伸缩弯比方形补偿器更具优势。因此在冷冻站的制冷、冻结系统设计中，应用比较多。圆形补偿器的弯曲半径可按?驻L/4值从表1中查得。
表1每个90°弯头的允许膨胀量
需要特别注意的是：圆形补偿器在冷冻站制冷、冻结系统安装时，应注意安装方向问题，防止出现“气堵”和“液堵”的问题。
5 工程实例
例1：2005年新汶矿务局济阳矿主副井冷冻站室外，高压部分在设计时没有考虑补偿器的设置，在冬天运行时由于室外温度与管道内气氨温度相差90℃左右，由此引起管道冷缩量通过管道的自然补偿无法实现，结果导致部分焊缝和法兰盘的连接位置漏氨，不仅污染环境，对人体造成伤害，而且也不经济。
例2：2009年施工的单县丰源实业有限公司张集矿井主井冷冻站的冻结系统中，低压侧部分的盐水管道在设计时只考虑了室内部分的管道补偿，室外部分没有设计，在夏天运行时室外温度与管道内冷冻盐水的温差达到70℃左右，由此引起管道伸缩，导致部分焊缝开裂，漏失盐水，导致冷量损失，降低了压缩机的制冷效率，影响冻结效果。
6 结语
补偿器虽然在冷冻站制冷、冻结系统设计中，应用不是很多，但是在管道系统设计中必须要考虑的。因此在冷冻站制冷系统设计中，不能由于补偿器的设计占很小的一部分，就不重视，要充分认识补偿器在保证管道长期正常运行方面发挥的重要作用。
参考文献
[1]化学工业部化工工艺配管设计技术中心站.化工管路手冊.北京:化学工业出版社,1978-07.
[2]黄泽淦.管道补偿器的选择和计算方法. 油气储运,1983,(04)
[3]申 江.制冷装置设计.北京:机械工业出版社,2011-01
[4]中华人民共和国商务部.冷库设计规范GB50072-2010.北京: 中国计划出版社,2010-01
[5]手册编写组. 化工设备设计手册(下卷).北京：化学工业出版社，1973-01
【关键词】管道补偿；自然补偿；人工补偿；圆形补偿器
[中图分类号]TB657[文献标识码] A [文章编号] T2011-12(03)-1219
0 前 言
管道补偿在化工装置中使用比较普遍的，这是由于它能够吸收来自管线产生的线位移和角位移，防止因此而引起的管道開裂，保护管道正常运行。在化工管道的设计中，补偿器的设计是一个很重要的方面。针对冷冻站制冷、冻结系统，由于管道的工作温度与安装时的环境温度不同，必然会产生热胀冷缩，如果通过管道自身的自然补偿不能满足管道的热胀冷缩的量，就应安装补偿装置，如不安装补偿装置，管道不能随温度变化而自由伸缩，管道将产生热应力，如果产生的热应力超过管材的允许拉伸或压缩应力，那势必导致管道开裂，引起制冷剂和载冷剂的泄露，污染环境，对人身造成伤害，引起不必要的经济损失。因此，在冷冻站制冷系统管道设计中，必须要考虑这种应力。但在实际的制冷、冻结系统设计中，往往被忽略，使得管道、支座甚至于管道相连的设备被损坏，从而影响冻结机房的正常运转。随着技术的发展，越来越多的深井开发，随之而带来的是需冷量越来越大，冷冻站的规模越来越大，超过100m低压侧制冷管道的直线段和超过50m的高压侧制冷管道直线段也越来越多，为了保证冷冻站的安全运行，合理选择和设计补偿器显得尤为重要。现就冷冻站制冷系统的管道补偿装置选用作简要探讨。
1 管道伸缩
冷冻站管道安装后，由于管道内的介质温度与环境温度有温差，而会引起管道的热胀冷缩，热胀冷缩的量是管道补偿器的设计依据之一，其伸缩变化的数值与管道的材质、温度变化的大小及管道长短有关系。下面介绍两种方法来判断氨制冷、冻结系统的管道是否需要进行热补偿。
1.1方法一
首先要根据公式（1.1）计算出管材由于温度变化引起的收缩量，再根据（1.2）计算出管道由此产生的热应力σ（如果管道可以自由伸缩，就不会产生热应力，如果管道两端是固定的，管道不能随温度变化而自由伸缩，管道将产生热应力），在管道设计中，管道的热应力不允许超过管材的许用或压缩应力，即如果σ＞[σ]，就应考虑管材的热补偿。
?驻L=α·L（t2-t1） （1.1）
式中?驻L——管道长度变化值，m；
α——管道材料的膨胀系数m/m·℃，普通碳素钢α
=12×10-6 m/m·℃；
L——管道长度，m；
t2——管道的工作温度，℃；
t1——管道的安装温度，℃。
σ=E·■ （1.2）
式中σ——热应力，MPa；
[σ]——管材的许用或压缩应力，普通无缝钢管 [σ]
=80MPa；
E——管材的弹性模数，MPa；钢E=2.1×105 MPa。
1.2方法二
根据方法一的已知条件，利用公式（冷冻站制冷、冻结系统的管道均为20#碳钢）计算得t2-t1=■=31.4℃。也就是说，从理论上讲当安装温度（环境温度）和介质工作温度之差＞31.4℃时，就需要进行热补偿；当安装温度（环境温度）和介质工作温度之差≤31.4℃时，就不需要进行热补偿。
2 常用的补偿方法
2.1自然补偿
自然补偿是利用管道的某一段弹性变形来吸收另一段热变形的补偿方法，是布置管道时自然形成的，不多费管材，也不增加介质的流动阻力，因此应尽量利用自然补偿，只有自然补偿不能满足要求时才采用人工补偿。在管道中布置适当的L型、Z型管段，即可有效地增加管道的柔性。这种补偿方法简单、运行可靠、投资少。
2.2 人工补偿
当管道上的位移量?驻L不能自然补偿时，就必须采用补偿器来补偿。根据《冷库设计规范》（GB50072-2010）6.5.7规定：低压侧制冷管道的直线段超过100m，高压侧制冷管道直线段超过50m，应设置一处管道补偿装置。补偿器也叫膨胀节。通常可分为自然补偿器（图1）、回折弯补偿器包括方形补偿器、圆形补偿器、波形补偿器和填料函式补偿器等。由于冷冻站
L型 T型 Z型 一般不用填料函式
图1 自然补偿器 补偿器，所以此处3 常用的补偿器不作介绍。
3.1自然补偿器
自然补偿器的工作原理:利用刚性较小的回折管的挠性变形来补偿两端直管部分的热伸长量。在管道补偿设计中，应首先考虑使用自然补偿，因为制作方便，工作可靠，由于自然补偿器要求添加轴向活动支座，它由妨碍着管道作横向位移，若支座配置不当会使管道的应力增大。
根据《冷库设计规范》规定，冷冻站的制冷冻结系统管道需要补偿的是直线段。所以，L型、Z型、T型自然补偿在此不作介绍。
3.2回折弯补偿器
回折弯补偿器是化工管道中最广泛采用的一种补偿器。将直管弯曲成一定的几何形状，便是回折弯式补偿器，常用的形状有方形和圆形(图2)。
回折弯式补偿器的优点是：加工简单、方便、经济，补偿能力大，通常可达400，轴向应力小。其缺点是：尺寸大，不能安装在狭窄部位；流体阻力大，变形时，两端的法兰和管道会受力至弯曲。在管径相同时方形比 方型 圆型 圆形制造方便，
图2回折弯补偿器 成本低，挠性大
3.3波形补偿器25％～30％。
波形补偿器是用3～4的钢板、红铜、铝板等金属薄片制成的。它利用金属本身的弹性伸缩来减小管道的热应力。每个波形可吸收膨胀值 5～15，波形总数一般不超过6个。波形补偿器的优点是体积小和结构严密，缺点是强度低，补偿能力小，通常只适用于直径?准＞150的低压管道和内压力＜0.7MPa的气体管道上。一般应用于保温高温管道，不适于安装在冷冻站的制冷、冻结管道系统中。
冷冻站的管道安装一般都用回折弯式补偿器。
4 回折弯式补偿器选用
4.1方形补偿器
方形补偿器的弹性力及能承受的变形量分别用公式（4.1）、（4.2）计算。
F＝■=■ （4.1）
?驻L=■（4.2）
式中F——热应力，kg；
?驻L——管道长度变化值，cm；
H——补偿器的高度，cm；
［σ］——管材的许用或压缩应力，钢管［σ］=800kg/cm2 ；
J——管子的截面惯性力矩，cm4；J=0.05（D 4-d 4），d —管
子的内径，cm；
D——管子的外径，cm；
N——补偿器的结构系数
N=9.42R3+14.94R2·a+7.8R·a2+1.33a3，
其中R=5D，a=H-2R。
当有足够的安装空间时，选用方形补偿器，先根据已知条件通过公式（1.1）计算出所需管道补偿量?驻L，再通过公式（4.1）计算出H值即方形补偿器的高度，再利用公式（4.2）验证热应力是否＜［σ］。
在工程实际应用中，为了增加方形补偿器的补偿能力，在安装时应对方形补偿器进行预冷紧，冷紧量为补偿量50%。
虽然方形补偿器从理论上能适用冷冻站的制冷、冻结系统的管道安装，但由于其所占空间很大，影响了其他设备支管的安装，所以在冷冻站的制冷系统管道安装中应用很少。
4.2圆形补偿器
圆形补偿器又叫伸缩弯，它的补偿能力大，可以适应较大的温度变化范围，但流动阻力也较大，当安装空间狭小时，伸缩弯比方形补偿器更具优势。因此在冷冻站的制冷、冻结系统设计中，应用比较多。圆形补偿器的弯曲半径可按?驻L/4值从表1中查得。
表1每个90°弯头的允许膨胀量
需要特别注意的是：圆形补偿器在冷冻站制冷、冻结系统安装时，应注意安装方向问题，防止出现“气堵”和“液堵”的问题。
5 工程实例
例1：2005年新汶矿务局济阳矿主副井冷冻站室外，高压部分在设计时没有考虑补偿器的设置，在冬天运行时由于室外温度与管道内气氨温度相差90℃左右，由此引起管道冷缩量通过管道的自然补偿无法实现，结果导致部分焊缝和法兰盘的连接位置漏氨，不仅污染环境，对人体造成伤害，而且也不经济。
例2：2009年施工的单县丰源实业有限公司张集矿井主井冷冻站的冻结系统中，低压侧部分的盐水管道在设计时只考虑了室内部分的管道补偿，室外部分没有设计，在夏天运行时室外温度与管道内冷冻盐水的温差达到70℃左右，由此引起管道伸缩，导致部分焊缝开裂，漏失盐水，导致冷量损失，降低了压缩机的制冷效率，影响冻结效果。
6 结语
补偿器虽然在冷冻站制冷、冻结系统设计中，应用不是很多，但是在管道系统设计中必须要考虑的。因此在冷冻站制冷系统设计中，不能由于补偿器的设计占很小的一部分，就不重视，要充分认识补偿器在保证管道长期正常运行方面发挥的重要作用。
参考文献
[1]化学工业部化工工艺配管设计技术中心站.化工管路手冊.北京:化学工业出版社,1978-07.
[2]黄泽淦.管道补偿器的选择和计算方法. 油气储运,1983,(04)
[3]申 江.制冷装置设计.北京:机械工业出版社,2011-01
[4]中华人民共和国商务部.冷库设计规范GB50072-2010.北京: 中国计划出版社,2010-01
[5]手册编写组. 化工设备设计手册(下卷).北京：化学工业出版社，1973-01