管道膨胀与支撑

任何蒸汽系统都必须得到充分支撑，在运行过程中能够膨胀，并具有足够的柔性以允许由此产生的位移。本教程包括不同方法的建议和完整计算。

膨胀余量

所有管道将在环境温度下安装。输送热水或蒸汽等热流体的管道在更高温度下运行。 因此，随着环境温度升高到工作温度，管道会膨胀，特别是在长度方向。这将在分配系统中的某些区域（如管接头）产生应力，在极端情况下可能导致破裂。膨胀量可使用公式10.4.1轻松计算，或从适当的图表（如图10.4.1）中读取。

示例10.4.1

一段30 m长的碳钢管将用于输送4 bar g（152°C）的蒸汽。如果管道在10°C下安装，使用公式10.4.1确定膨胀量。

另外，图10.4.1中的图表可用于查找各种钢管长度的近似膨胀量——使用说明见示例10.4.2。 示例10.4.2 使用图10.4.1。找出100米碳钢管路从15°C起用于分配265°C蒸汽时的近似膨胀量。 温差为265 - 15°C = 250°C。 在250°C的对角温差线与100 m水平管线的交点处，向下作垂直线。在此示例中，指示的近似膨胀量为330 mm。

管路柔性 管路系统必须具有足够的柔性来适应组件膨胀时的位移。在许多情况下，由于管道长度、弯头数量和支撑数量的原因，管路系统的柔性意味着不会施加过大的应力。然而，在其他安装中，需要采取一些手段来实现所需的柔性。 在典型蒸汽系统中的一个例子是将冷凝水从蒸汽干管排放疏水阀排入沿蒸汽管线布置的冷凝水回水管（图10.4.2）。这里必须考虑两个管路系统膨胀量之间的差异。蒸汽干管将在比冷凝水主管更高的温度下运行，在系统预热期间，两个连接点将相对移动。

管道及其内部任何装置需要吸收的位移量可以通过”冷拉”来减少。首先计算固定锚固点之间每段的总膨胀量。管道留短该量的一半，并通过法兰接头处的拉紧螺栓进行冷拉，使系统在环境温度下在一个方向上受应力。

当温升达到总温升的一半时，管道不受应力。在工作温度下完全膨胀后，管道在相反方向上受应力。其效果是，管道的应力不是从0 F到+1 F力单位，而是从-½ F到+ ½ F力单位。

在实际中，管道在冷态下组装，两个法兰之间放置一个长度等于膨胀量一半的间隔件。当管道完全安装并两端固定后，拆除间隔件并将接头拉紧（见图10.4.3）。

膨胀量的剩余部分如果不能被管路的自然柔性所吸收，则需要使用膨胀装置。

在实践中，管路膨胀和支撑可分为三个区域，如图10.4.4所示。

固定点或”锚固”点”A”提供膨胀发生的基准位置。

滑动支撑点”B”允许管路自由膨胀位移，同时保持管线对齐。 “C”点的膨胀装置用于适应管道的膨胀和收缩。

滚轮支撑（图10.4.5和10.4.6）是支撑管道的理想方法，同时允许它们在两个方向上移动。对于钢管路，滚轮应由黑色金属材料制造。对于铜管路，应由有色金属材料制造。对于用滚轮支撑的管路，良好做法是安装管道鞍座，用螺栓固定在支撑支架上，间隔不超过6米，以在任何膨胀和收缩期间保持管路对齐。

当两根管道需要上下支撑时，用管卡从上方管道悬挂下方管道是不好的做法。这将对上方管道施加额外应力，而其厚度是根据仅承受工作压力应力来确定的。 所有管道支架应专门设计以适应相关管道的外径。

膨胀装置

膨胀装置（图10.4.4中的”C”）是适应膨胀的一种方法。这些装置放置在线路内，设计为在不改变管线总长度的情况下适应膨胀。由于膨胀套筒的波纹管结构，通常称为膨胀波纹管。 其他膨胀装置可以由管路本身制成。这可能是解决问题的更廉价方式，但需要更多的空间来容纳管道。

全环形补偿器 这简单地是管道的一个完整环，在蒸汽管路上，最好安装在水平位置而非垂直位置，以防止冷凝水在上游侧积聚。 下游侧从上游侧下方通过，必须非常注意不要安装反了，因为冷凝水可能在底部积聚。当全环形补偿器安装在狭窄空间时，必须注意规定不要供应反向的环形补偿器。 全环形补偿器不会像某些其他类型那样产生与膨胀管路方向相反的力，但环内有蒸汽压力时，会有轻微的伸展趋势，这会给法兰施加额外应力。

由于管路占用空间较大，这种设计现在很少使用，专用膨胀波纹管现在更容易获得。然而，大型蒸汽用户（如发电站或具有大型室外分配系统的设施）仍倾向于使用全环形膨胀装置，因为通常有足够的空间且成本相对较低。

马蹄形或竖琴形补偿器 当有空间可用时，有时使用这种类型。最好水平安装，使补偿器和干管在同一平面上。压力不会趋向于将补偿器两端吹开，但有非常轻微的伸直效应。这是由于设计原因，但不会导致法兰错位。 如果这些布置中的任何一个将补偿器垂直安装在管道上方，则必须在上游侧提供排水点，如图10.4.8所示。

膨胀弯管

膨胀弯管可以用直管段和焊接在接头处的弯头制造（图10.4.9）。这些组件可适应的管道膨胀量如图10.4.10所示。

从图10.4.9可以看出，弯管的深度应为宽度的两倍，宽度由图10.4.10确定，已知弯管两侧管道的预期总膨胀量。

滑动接头 有时使用滑动接头，因为它们占用空间小，但管线必须严格按照制造商的说明进行刚性固定和导向；否则作用在接头套筒部分横截面积上的蒸汽压力趋向于将接头吹开，与膨胀管路产生的力相反（见图10.4.11）。错位将导致滑动套筒弯曲，同时可能还需要定期维护填料压盖密封。

膨胀波纹管 膨胀波纹管（图10.4.12）的优点是不需要填料（滑动接头型需要）。但它与滑动接头有相同的缺点，即内部压力趋向于拉伸该装置，因此锚固件和导向装置必须能够承受此力。

波纹管可以包含限位杆，用于限制元件的过度压缩和过度伸展。在正常运行条件下，这些限位杆可能没有多少功能，因为大多数简单的波纹管组件能够承受较小的横向和角度位移。然而，一旦锚固件失效，它们就充当系杆并承受压力推力，防止装置损坏，同时减少对管道、设备和人员进一步损坏的可能性（图10.4.13(b)）。 当预期有较大力时，应在装置中内置某种形式的额外机械加强件，如铰接支撑杆（图10.4.13(c)）。 适应两个横向位移管道之间的相对位移始终不止一种方法，具体取决于波纹管锚固件和导向装置的相对位置。就优先级而言，轴向位移优于角度位移，角度位移又优于横向位移。应尽可能避免角度和横向位移。 图10.4.13(a)、(b)和(c)给出了这些位移影响的大致说明，但在任何情况下，强烈建议就膨胀波纹管的任何安装向波纹管制造商寻求专业建议。

管道支架间距

管道支架的频率将根据管道口径、实际管道材料（即钢管或铜管）以及管道是水平还是垂直而变化。

以下是一些值得考虑的实际要点：

• 管道支架应以不超过表10.4.3所示的间隔提供，并沿建筑物和结构中可以安装适当支架的部分布置。
• 当两根或更多管道支撑在共用支架上时，支架间距应为最小管道的间距。
• 当可能发生明显的位移时，即直管长度超过15米，支架应采用前面所述的滚轮型。
• 竖直管道应在底部充分支撑，以承受竖直管道及其内部流体的总重量。不得将竖直管道的支管用作管道的支撑手段，因为这将对三通接头施加过度的应力。
• 所有管道支架应专门设计以适应相关管道的外径。使用过大尺寸的管道支架不是好的做法。 表10.4.3可作为计算钢管和铜管路管道支架间距的指南。

管道支架的主题在欧洲标准EN 13480第3部分中有全面涵盖。