浅谈管道补偿器使用说明
能源动力厂 马健
由于工作介质及环境温度的变化导致管道长度发生变化，并产生拉（压）应力。当超过管道本身的抗拉强度时，会使管道变形或破坏。为此，在管道局部架空地段应设置补偿器，即膨胀器。使由温度变化而引起管道长度的伸缩加以调节得到补偿。
一、膨胀器形式：
（一）自然补偿式，采用Ω型
（二）填料式温度补偿器
（三）波纹管补偿器
1. 按是否能吸收管道内介质压力所产生的压力推力（盲板力），可分为无约束型波纹管膨胀节和有约束型膨胀节。
2. 按波纹管的波形结构参数，可分为U 形、Ω形、S 形、V 形（目前国内厂家多数采用U 形）。
3. 按波纹管的位移型式，可分为轴向型、横向型、角向型及压力平衡型波纹管膨胀节（大多数厂家都是按这种分类标示在说明书上的）。
二、由于温度变化引起钢管的伸缩量计算：
△L=C△tL △L —伸缩量（毫米）
C —线膨胀系数（钢：0.12x10-4℃-1）
L —管道长度（毫米）
△t —温差（℃）
△t = t2- t1 t 1—变化前温 t 2—变化后温度
由上式可以得出：每米钢管温差1℃时，伸缩量为0.012毫米，
即若升高100℃，则伸长1.2毫米。
三、由于温度变化引起钢管的伸缩应力计算：
P=E△t C P —应力（帕）
E —弹性模数（钢：2.06 x1011帕）
△t —温度（℃）
C —线膨胀系数（℃-1）
P=E△t C=2.06 x1011帕 x0.12x10-4℃=2.47Mpa=24.7 kg·f/cm 2
由上式可得出：每1℃温差应力值为2.47兆帕，即24.7 kg.f/cm 2。 例：Dg10000毫米管道，厚6毫米
则：承受力F=P（D 外2-D 内2） =24.7×（101.22-1002）
=4681 kg·f
即：当温差1℃时承受4681 kg·f 的拉（压）应力。
四、膨胀节预变位安装的计算：
为了减少补偿器在运行时对固定支架的轴向推力，在补偿器安装前应进行必要的预拉，预拉量△x 按下式计算:
△x=x[1/2-(ta-td)/(tg-td)]
式中 x-- 补偿器的补偿量，mm
ta-- 管道安装温度，℃
td-- 管道最低温度，℃
tg-- 管道运行时的最高温度，℃
对于高温管道(tg＞ta) ，预拉量为正，应将补偿器预拉伸; 对于低温管道(tg＜ta) ，预拉量为负，应将补偿器预压缩。热力管道属于前者。当ta=td时，△x=1/2x。所以一般资料介绍，预拉量可以取补偿量的一半，但是这一结论的前提是管道安装温度与最低温度近似相等。当ta ＞td 时，△x ＜1/2x；当ta ＜td 时，△x ＞1/2x。
在分析管道轴向力的同时，还应注意到管道的横向推力，由于在安装管道时，管线的布置不可能绝对平直，因此受热后不仅轴回移动，还会造成径向位移。如果导向支架不能承受所加的横向载荷或导向滑板侧回形状不规则、表面粗糙等，其摩擦阻力随横向推力的增大而增大，所以在对平衡式波纹管补偿器进行设计时，对导向问题也进行了专门的设计，以保证其横向摩擦力最小，能最大限度地保证管道的安全运行。
当管道输送常温介质时：
安装前应在施工现场将波纹补偿器预先压缩或拉伸到“零点温度”（施工地区年平均温度）时的长度再进行安装，此方法称“预拉伸”。
预拉伸的长度可通过下式求得：
△L=△tL C △L —拉伸或压缩的长度（毫米）
△t —温度（℃）
L —补偿管道的长度（毫米）
C —管壁线膨胀系数（℃-1）
△t = t2- t1（℃）
式中：t 1—零点温度，即施工地区的年平均温度
t 2—安装时现场温度
﹡当t 2> t1时，△t 为正数，需要将波纹补偿器进行压缩。
﹡当t 2﹤ t 1时，△t 为负数，将波纹补偿器拉伸。
例：设计极端最高温度42.5℃，极端最低温度-19.7℃
全年平均温度：t 平==11.4℃
例如1：夏天，安装温度为30℃时，t 2管道长度为50米时，L 管壁线膨胀系数：（℃-1）
△L=△tL C=（30-11.4）x50 x103 x0.12 x 10-4℃-1
=18.6x50x0.12x10-1=11.16（毫米）
为正数，需将波纹型补偿器压缩11.16毫米。
例如2：冬天，安装温度为0℃时，
△L=△tL C =（t 2- t1）x50 x 103 x0.12x10-4
=（0-11.4）x50 x 103 x0.12x10-4=-6.84毫米
为负数，需将波纹型补偿器伸长6.84毫米。
五 限位螺栓装置的设置
根据我们实际施工经验所得，设置于大管径、高内压的管段上的金属波纹管膨胀节，在正常的使用过程中会对膨胀节两端的固定支架产生相当巨大的水平推力，如不设法抵消上述水平推力就必将造成管线甚至建筑结构的破坏。因此，必须为膨胀节设置四组有足够抗拉强度的限位螺栓装置，以保证管道系统的正常运行及建筑物的结构安全。
膨胀节两端的固定支架所受到水平推力公式：
F = Fe + FB
式中 Fe= S×P ， F B = E×n
其中 F 一金属波纹管膨胀节对两端固定支架的水平推力；
Fe 一管道内压力产生的轴向推力；
A 一波纹管的有效压面积；P 一膨胀节的工作压力；
F B 一波纹管刚度所产生的弹性力；
E 一每一个波纹的轴向刚度；n 一每一个波纹的平均伸缩量
可以看出，金属波纹管膨胀节对两端固定支架的水平推力，是由管道的内压力而产生的推力加上波纹管刚度所产生的弹性力组成。由于膨胀节两端均已设置了管道的固定支架，限制了波纹的轴向方向产生的伸缩量，因此一般情况下，因波纹的刚度而产生的弹性力是均匀的微小的(可以忽略) ，所以膨胀节对两端固定支架的水平推力将主要以管道内水压产生的水平力为主。
例：有一工程的冷冻水总管为DN450的螺纹钢管，为了抵消冷冻水管内温差而产生的变形，就在管道上设置了金属波纹管膨胀节。
对该金属波纹管膨胀节两端支架水平推力的计算过程如下：根据该膨胀节的轴向刚度E 为459N ／mm ，而每个波纹的轴向额定位移n 为25mm ，冷冻水管的试验压力P 为1．6MPa ，而其有效压面积S 为2075 cm2，即可以得出该波纹管膨胀节的对两端固定支架的作用力为：
F =FP +FB = S ×P +E×n=1．6×106×2075×10-4 +459×25：332000+11475=343475(N)=34347.5公斤=34.34吨
我们根据螺栓的屈服强度为215．6KN ／mm 2(即22 kg/cm2) ，选取了4支M24螺栓作为限位螺栓，直接焊接在膨胀节两端的法兰上(如图所示) 。M2 4限位螺栓
图1 膨胀节安装示意图
则四套限位螺栓的抗拉应力为：
F 螺栓=215．6×1／4×24 ×3．14×4 =389940．4(N)>343475(N) 可见F 螺栓>F，即该螺栓组抗拉强度足以抵 消膨胀节对两端固定支架的水平作用力，从而保护了管道、建筑物结构安全。
另外，如图1所示我们通过在螺杆两端设置限 位螺母，这样可以保证了金属波纹膨胀节在其额定 的拉伸、压缩范围内进行轴向补偿，从而达到延长 膨胀节使用寿命的效果。
综上所述，金属波纹管膨胀节安装质量关系到整个管道系统，甚至楼宇结构的强度、安全问题，它既是一个脆弱的环节，也是一个重要的环节。在实际的施工过程中，我们按照以上的正确方法进行安装，
并且通过有关的力学计算，按照实际需要而设置限位螺栓装置，这样确实可以保证金属波纹管膨胀节使用的长期稳定性、安全性。具体的定位螺栓及限位螺栓预留间隙尺寸由设计或供货厂家提供。
六、一般安装要求：
1、补偿器在安装前应先检查其型号，规格及管道配量情况，必须符合设计要求。包括产品外观检查，特别是波纹管表面有无运输及吊运中造成的机械损伤。
2、当设计不要求进行预变位安装时，则在整个安装期间不要松动这些定位螺母或拆除专用的运输螺杆或“过桥”，当膨胀节和各类管架都装设完毕且检查合格之后，压力试验前，必须立即将大拉杆上内侧定位螺母拧至大拉杆内侧螺纹根部背紧，立即拆除专用的运输螺杆或“过桥”。注意不要松动大拉杆外侧螺母。
3、安装方向：装有导流筒的膨胀节上附设有介质流向标志牌，与介质流向一致，防止倒坡向，导致膨胀节处积水及腐蚀物质，产生冰冻及侵蚀坏不锈钢波纹管，防止氯离子腐蚀。
4、安装误差：对连接膨胀节两端的管道的端面或法兰端面尺寸偏差和位置偏差如下：
（1）面间长度偏差：＜±3mm ；
（2）面间同轴度偏差：≤1% DN 且≤Φ5mm（DN 为管道工称直径）；
（3）各面对其管道轴线垂直度偏差：≤1% DN且≤3mm
同时，安装时不要使膨胀节随承受扭矩。严禁用补偿器的变形方
法来调整管道的安装误差。
5、用来保护和预变形的辅助构件，应该在管道安装完并试压完毕后方可拆除。通用内压型的拉杆螺母放松到一定程度（满足其最大补偿量）或去掉拉杆。直埋式补偿器需要将拉身和拉杆一并去掉，大拉杆补偿器上的小拉杆要去掉。通过波纹管的柔性来吸收管线的轴向位移。补偿器的所用活动元件，不得被外部构件卡死或限制其活动范围，应保证活动部位的正常运行。
6、系统压力试验：
试验压力不得超过规定值（常温水压试验不得超过设计压力的
1.5倍，气压试验不得超过设计压力的1.1倍）。对不锈钢波纹管，水压试验用水应不含氯离子。系统压力试验必须在所用管架和膨胀节都装设好之后进行。
7、膨胀节与管道的装配：
如果施工图不要求对膨胀节进行预变位安装时，则在整个安装期间不要拆除专用的运输螺杆或“过桥”。膨胀节和各类管架都装设完毕且检查合格之后，压力试验之前应立即拆除专用的运输螺杆或“过桥”。
如果施工图要求膨胀节进行预变位安装时，则应在膨胀节以出厂状态安装好之后和预变位作业开始之前拆除专用的运输螺杆或“过桥”
在不要求预变位安装时推荐采用：
（1）预留间距装配法（2）顺序装配法 （略）
七 波纹补偿器安装和使用具体要求：
1、补偿器在安装前应先检查其型号、规格及管道配置情况，必须符合设计要求。
2、对带内套筒的补偿器应注意使内套筒的方向与介质流动方向一致，铰链型补偿器的铰链转动平面应与位移转动平面一致。
3、需要进行“冷紧”的补偿器，预变形所用的辅助构件应在管路安装完毕后方可拆除。
4、严禁用波纹补偿器变形的方法来调整管道的安装超差，以免影响补偿器的正常功能、降低使用寿命及增加管系、设备、支承构件的载荷。
5、安装过程中，不允许焊渣飞溅到波壳表面，不允许波壳受到其它机械损伤。
6、管系安装完毕后，应尽快拆除波纹补偿器上用作安装运输的黄色辅助定位构件及紧固件，并按设计要求将限位装置调到规定位置，使管系在环境条件下又充分的补偿能力。
7、补偿器所有活动元件不得被外部构件卡死或限制其活动范围，应保证各活动部位的正常动作。
8、水压试验时，应对装有补偿器管路端部的次固定管架进行加固，使管路不发生移动或转动。 对用于气体介质的补偿器及其连接管路，要注意充水时是否需要增设临时支架。水压试验用水清洗液的氯离子含量不超过25PPM 。
9、水压试验结束后，应尽快排尽波壳中的积水，并迅速将波壳
内表面吹干。
10、与补偿器波纹管接触的保温材料应不含氯离子。
感谢阅读！！仅供参考。
有不妥之处，敬请给予批评指正。
马建 2010．3．1
浅谈管道补偿器使用说明
能源动力厂 马健
由于工作介质及环境温度的变化导致管道长度发生变化，并产生拉（压）应力。当超过管道本身的抗拉强度时，会使管道变形或破坏。为此，在管道局部架空地段应设置补偿器，即膨胀器。使由温度变化而引起管道长度的伸缩加以调节得到补偿。
一、膨胀器形式：
（一）自然补偿式，采用Ω型
（二）填料式温度补偿器
（三）波纹管补偿器
1. 按是否能吸收管道内介质压力所产生的压力推力（盲板力），可分为无约束型波纹管膨胀节和有约束型膨胀节。
2. 按波纹管的波形结构参数，可分为U 形、Ω形、S 形、V 形（目前国内厂家多数采用U 形）。
3. 按波纹管的位移型式，可分为轴向型、横向型、角向型及压力平衡型波纹管膨胀节（大多数厂家都是按这种分类标示在说明书上的）。
二、由于温度变化引起钢管的伸缩量计算：
△L=C△tL △L —伸缩量（毫米）
C —线膨胀系数（钢：0.12x10-4℃-1）
L —管道长度（毫米）
△t —温差（℃）
△t = t2- t1 t 1—变化前温 t 2—变化后温度
由上式可以得出：每米钢管温差1℃时，伸缩量为0.012毫米，
即若升高100℃，则伸长1.2毫米。
三、由于温度变化引起钢管的伸缩应力计算：
P=E△t C P —应力（帕）
E —弹性模数（钢：2.06 x1011帕）
△t —温度（℃）
C —线膨胀系数（℃-1）
P=E△t C=2.06 x1011帕 x0.12x10-4℃=2.47Mpa=24.7 kg·f/cm 2
由上式可得出：每1℃温差应力值为2.47兆帕，即24.7 kg.f/cm 2。 例：Dg10000毫米管道，厚6毫米
则：承受力F=P（D 外2-D 内2） =24.7×（101.22-1002）
=4681 kg·f
即：当温差1℃时承受4681 kg·f 的拉（压）应力。
四、膨胀节预变位安装的计算：
为了减少补偿器在运行时对固定支架的轴向推力，在补偿器安装前应进行必要的预拉，预拉量△x 按下式计算:
△x=x[1/2-(ta-td)/(tg-td)]
式中 x-- 补偿器的补偿量，mm
ta-- 管道安装温度，℃
td-- 管道最低温度，℃
tg-- 管道运行时的最高温度，℃
对于高温管道(tg＞ta) ，预拉量为正，应将补偿器预拉伸; 对于低温管道(tg＜ta) ，预拉量为负，应将补偿器预压缩。热力管道属于前者。当ta=td时，△x=1/2x。所以一般资料介绍，预拉量可以取补偿量的一半，但是这一结论的前提是管道安装温度与最低温度近似相等。当ta ＞td 时，△x ＜1/2x；当ta ＜td 时，△x ＞1/2x。
在分析管道轴向力的同时，还应注意到管道的横向推力，由于在安装管道时，管线的布置不可能绝对平直，因此受热后不仅轴回移动，还会造成径向位移。如果导向支架不能承受所加的横向载荷或导向滑板侧回形状不规则、表面粗糙等，其摩擦阻力随横向推力的增大而增大，所以在对平衡式波纹管补偿器进行设计时，对导向问题也进行了专门的设计，以保证其横向摩擦力最小，能最大限度地保证管道的安全运行。
当管道输送常温介质时：
安装前应在施工现场将波纹补偿器预先压缩或拉伸到“零点温度”（施工地区年平均温度）时的长度再进行安装，此方法称“预拉伸”。
预拉伸的长度可通过下式求得：
△L=△tL C △L —拉伸或压缩的长度（毫米）
△t —温度（℃）
L —补偿管道的长度（毫米）
C —管壁线膨胀系数（℃-1）
△t = t2- t1（℃）
式中：t 1—零点温度，即施工地区的年平均温度
t 2—安装时现场温度
﹡当t 2> t1时，△t 为正数，需要将波纹补偿器进行压缩。
﹡当t 2﹤ t 1时，△t 为负数，将波纹补偿器拉伸。
例：设计极端最高温度42.5℃，极端最低温度-19.7℃
全年平均温度：t 平==11.4℃
例如1：夏天，安装温度为30℃时，t 2管道长度为50米时，L 管壁线膨胀系数：（℃-1）
△L=△tL C=（30-11.4）x50 x103 x0.12 x 10-4℃-1
=18.6x50x0.12x10-1=11.16（毫米）
为正数，需将波纹型补偿器压缩11.16毫米。
例如2：冬天，安装温度为0℃时，
△L=△tL C =（t 2- t1）x50 x 103 x0.12x10-4
=（0-11.4）x50 x 103 x0.12x10-4=-6.84毫米
为负数，需将波纹型补偿器伸长6.84毫米。
五 限位螺栓装置的设置
根据我们实际施工经验所得，设置于大管径、高内压的管段上的金属波纹管膨胀节，在正常的使用过程中会对膨胀节两端的固定支架产生相当巨大的水平推力，如不设法抵消上述水平推力就必将造成管线甚至建筑结构的破坏。因此，必须为膨胀节设置四组有足够抗拉强度的限位螺栓装置，以保证管道系统的正常运行及建筑物的结构安全。
膨胀节两端的固定支架所受到水平推力公式：
F = Fe + FB
式中 Fe= S×P ， F B = E×n
其中 F 一金属波纹管膨胀节对两端固定支架的水平推力；
Fe 一管道内压力产生的轴向推力；
A 一波纹管的有效压面积；P 一膨胀节的工作压力；
F B 一波纹管刚度所产生的弹性力；
E 一每一个波纹的轴向刚度；n 一每一个波纹的平均伸缩量
可以看出，金属波纹管膨胀节对两端固定支架的水平推力，是由管道的内压力而产生的推力加上波纹管刚度所产生的弹性力组成。由于膨胀节两端均已设置了管道的固定支架，限制了波纹的轴向方向产生的伸缩量，因此一般情况下，因波纹的刚度而产生的弹性力是均匀的微小的(可以忽略) ，所以膨胀节对两端固定支架的水平推力将主要以管道内水压产生的水平力为主。
例：有一工程的冷冻水总管为DN450的螺纹钢管，为了抵消冷冻水管内温差而产生的变形，就在管道上设置了金属波纹管膨胀节。
对该金属波纹管膨胀节两端支架水平推力的计算过程如下：根据该膨胀节的轴向刚度E 为459N ／mm ，而每个波纹的轴向额定位移n 为25mm ，冷冻水管的试验压力P 为1．6MPa ，而其有效压面积S 为2075 cm2，即可以得出该波纹管膨胀节的对两端固定支架的作用力为：
F =FP +FB = S ×P +E×n=1．6×106×2075×10-4 +459×25：332000+11475=343475(N)=34347.5公斤=34.34吨
我们根据螺栓的屈服强度为215．6KN ／mm 2(即22 kg/cm2) ，选取了4支M24螺栓作为限位螺栓，直接焊接在膨胀节两端的法兰上(如图所示) 。M2 4限位螺栓
图1 膨胀节安装示意图
则四套限位螺栓的抗拉应力为：
F 螺栓=215．6×1／4×24 ×3．14×4 =389940．4(N)>343475(N) 可见F 螺栓>F，即该螺栓组抗拉强度足以抵 消膨胀节对两端固定支架的水平作用力，从而保护了管道、建筑物结构安全。
另外，如图1所示我们通过在螺杆两端设置限 位螺母，这样可以保证了金属波纹膨胀节在其额定 的拉伸、压缩范围内进行轴向补偿，从而达到延长 膨胀节使用寿命的效果。
综上所述，金属波纹管膨胀节安装质量关系到整个管道系统，甚至楼宇结构的强度、安全问题，它既是一个脆弱的环节，也是一个重要的环节。在实际的施工过程中，我们按照以上的正确方法进行安装，
并且通过有关的力学计算，按照实际需要而设置限位螺栓装置，这样确实可以保证金属波纹管膨胀节使用的长期稳定性、安全性。具体的定位螺栓及限位螺栓预留间隙尺寸由设计或供货厂家提供。
六、一般安装要求：
1、补偿器在安装前应先检查其型号，规格及管道配量情况，必须符合设计要求。包括产品外观检查，特别是波纹管表面有无运输及吊运中造成的机械损伤。
2、当设计不要求进行预变位安装时，则在整个安装期间不要松动这些定位螺母或拆除专用的运输螺杆或“过桥”，当膨胀节和各类管架都装设完毕且检查合格之后，压力试验前，必须立即将大拉杆上内侧定位螺母拧至大拉杆内侧螺纹根部背紧，立即拆除专用的运输螺杆或“过桥”。注意不要松动大拉杆外侧螺母。
3、安装方向：装有导流筒的膨胀节上附设有介质流向标志牌，与介质流向一致，防止倒坡向，导致膨胀节处积水及腐蚀物质，产生冰冻及侵蚀坏不锈钢波纹管，防止氯离子腐蚀。
4、安装误差：对连接膨胀节两端的管道的端面或法兰端面尺寸偏差和位置偏差如下：
（1）面间长度偏差：＜±3mm ；
（2）面间同轴度偏差：≤1% DN 且≤Φ5mm（DN 为管道工称直径）；
（3）各面对其管道轴线垂直度偏差：≤1% DN且≤3mm
同时，安装时不要使膨胀节随承受扭矩。严禁用补偿器的变形方
法来调整管道的安装误差。
5、用来保护和预变形的辅助构件，应该在管道安装完并试压完毕后方可拆除。通用内压型的拉杆螺母放松到一定程度（满足其最大补偿量）或去掉拉杆。直埋式补偿器需要将拉身和拉杆一并去掉，大拉杆补偿器上的小拉杆要去掉。通过波纹管的柔性来吸收管线的轴向位移。补偿器的所用活动元件，不得被外部构件卡死或限制其活动范围，应保证活动部位的正常运行。
6、系统压力试验：
试验压力不得超过规定值（常温水压试验不得超过设计压力的
1.5倍，气压试验不得超过设计压力的1.1倍）。对不锈钢波纹管，水压试验用水应不含氯离子。系统压力试验必须在所用管架和膨胀节都装设好之后进行。
7、膨胀节与管道的装配：
如果施工图不要求对膨胀节进行预变位安装时，则在整个安装期间不要拆除专用的运输螺杆或“过桥”。膨胀节和各类管架都装设完毕且检查合格之后，压力试验之前应立即拆除专用的运输螺杆或“过桥”。
如果施工图要求膨胀节进行预变位安装时，则应在膨胀节以出厂状态安装好之后和预变位作业开始之前拆除专用的运输螺杆或“过桥”
在不要求预变位安装时推荐采用：
（1）预留间距装配法（2）顺序装配法 （略）
七 波纹补偿器安装和使用具体要求：
1、补偿器在安装前应先检查其型号、规格及管道配置情况，必须符合设计要求。
2、对带内套筒的补偿器应注意使内套筒的方向与介质流动方向一致，铰链型补偿器的铰链转动平面应与位移转动平面一致。
3、需要进行“冷紧”的补偿器，预变形所用的辅助构件应在管路安装完毕后方可拆除。
4、严禁用波纹补偿器变形的方法来调整管道的安装超差，以免影响补偿器的正常功能、降低使用寿命及增加管系、设备、支承构件的载荷。
5、安装过程中，不允许焊渣飞溅到波壳表面，不允许波壳受到其它机械损伤。
6、管系安装完毕后，应尽快拆除波纹补偿器上用作安装运输的黄色辅助定位构件及紧固件，并按设计要求将限位装置调到规定位置，使管系在环境条件下又充分的补偿能力。
7、补偿器所有活动元件不得被外部构件卡死或限制其活动范围，应保证各活动部位的正常动作。
8、水压试验时，应对装有补偿器管路端部的次固定管架进行加固，使管路不发生移动或转动。 对用于气体介质的补偿器及其连接管路，要注意充水时是否需要增设临时支架。水压试验用水清洗液的氯离子含量不超过25PPM 。
9、水压试验结束后，应尽快排尽波壳中的积水，并迅速将波壳
内表面吹干。
10、与补偿器波纹管接触的保温材料应不含氯离子。
感谢阅读！！仅供参考。
有不妥之处，敬请给予批评指正。
马建 2010．3．1