1、前言
热力管道在运行过程中受到温度影响往往会产生热胀冷缩的现象。为保证热力管道的运行安全，降低管道对设备及支架的推力，需要对热力管道进行柔性设计。通常热力管道的补偿方式分为自然补偿和补偿器补偿。其中自然补偿主要通过改变管道走向、设置方型补偿器来实现。对于小直径、补偿量不大的热力管道，采用自然补偿较为经济实用，可靠性较高，管道密封性较好。但对于大直径、补偿量较大的热力管道，采用自然补偿往往需要占用较大的布置空间，且补偿距离短，管道流速受阻，土地及管道投资增加。为解决自然补偿所带来的问题，工业应用中通常选用专用补偿器来满足热力管道的柔性设计要求。根据结构原理的不同，专用补偿器主要分为套筒补偿器、球形补偿器、波纹补偿器和旋转补偿器等。本文主要针对旋转补偿器的应用和建模提供参考。
2、旋转补偿器的应用
2.1结构及原理
旋转补偿器由内管、外套管、密封材料、填料压紧法兰、延伸管（直管式、变径式）以及紧固件组成。通过两个补偿器和力臂形成力偶，使大小相等、方向相反的一对力，由力臂绕着轴中心旋转，以达到吸收力偶两边的热力管道所产生的热位移。
图2-1 旋转补偿器结构图
1、内管2、螺栓3、螺母4、垫片5、填料法兰6、外套管7、密封填料8、填料加注口9、转动环10、限位装置11、标志牌
2.2布置形式
旋转补偿器可以布置在多种场合，适应性强，可以布置在架空管线之间、埋地管线之间、管道的直角拐弯处或者非直角拐弯处等。旋转补偿器的布置形式主要有π型组合和Ω型组合。
π型组合主要用于热力管道的长距离非直线补偿。当补偿器布置于两个固定支架之间且两端有相同的热胀量和相同的热胀推力时，在热胀推力构成的力偶作用下，力臂环绕中心旋转一定的角度，从而吸收管道两端的热伸长。
Ω型补偿器组合主要用于热力管道的长距离直线补偿。该类补偿器在直线管段的两侧对称布置，依靠受热管道两端热胀推力及力臂构成的两对力偶同步旋转，使两个力臂之间的夹角由大变小，从而达到吸收热伸长量的目的。
3、旋转补偿器建模
3.1 建模原理
CAESAR II管道应力分析软件是由美国COADE公司研发的压力管道应力分析专业软件。该软件可以对热力管道进行静态分析和动态分析。同时，该软件具有3D图形模拟功能，管架约束类型丰富，可以针对各类热力管道进行模拟和设计。对于不同类型的补偿器，该软件没有提供具体的建模方法，但可以根据补偿器的实际受力情况进行模拟和分析。
旋转补偿器的结构存在密封填料，密封材料与壳体之间存在摩擦力作用，其刚度特性为双刚度。在达到动摩擦力之前，旋转补偿器不发生相对转动，刚度可视为无穷大。当管道达到动摩檫力之后，旋转补偿器发生相对旋转，刚度可视为无穷小。基于上述原理，旋转补偿器可以采用双刚度原理进行模拟。
3.2 建模过程
在CAESAR II模拟中，两个连接点之间的约束有6个自由度，X、Y、Z、RX、RY和RZ。在π型补偿器组合中，两个连接点之间X、Y、Z、RX、RZ方向的约束是同步的。当一个点发生相对移动，与之关联的连接点会发生同步移动。在RY方向上，由于旋转补偿器具有双刚度特性，两个关联点之间采用RY2来实现约束。在RY2方向上，设置两个不同的刚度值K1和K2。其中，K1为无穷大刚度，表示旋转补偿器在达到静摩擦力之前，两个连接点之间为刚性连接。K2刚度值设置为1，表示旋转补偿器受力达到静摩擦力之后，两个连接点之间可以自由的转动。同时，根据厂家提供的旋转补偿器参数，在Fy单项中填入对应的摩擦力。将上述参数模拟完整后，即可实现旋转补偿器在CAESAR II中的模拟。
3.3 模拟效果
某过热蒸汽管道工作压力为2.4MPa，工作温度为280℃，管径为φ273×7mm，材质为20G。固定支架间距为150m，在固定支架中间设置π型旋转补偿器。根据厂家提供的资料，所选补偿器的摩擦力为600N/m，设计压力为2.6MPa，设计温度为350℃。在CAESAR II中的模拟效果见图3-1：
图3-1 旋转补偿器三维模拟图
3.4 计算结果
根据上述建立的模型，对旋转补偿器在操作工况的运行情况进行了计算，计算结果见表3-1和3-2。从表中可以看出，在节点100和102之间（关联点），DX、DY、DZ、RX和RZ方向上的位移一致。在RY方向上，节点100和102之间发生了相对转动，最大转动距离为17.4497mm。计算结果与旋转补偿器实际运行轨迹一致。
表3-1 操作态下旋转补偿器位移
4 结论
（1）在热力管道设计中，对补偿距离较大，布置空间较为紧凑的情况下，建议采用旋转补偿器对管道的热位移进行补偿。
（2）在CAESAR II应力计算软件中，可采用双刚度原理对旋转补偿器进行模拟。计算结果表明，采用该原理进行建模符合旋转补偿器的实际运行要求。
参考文献
[1] 旋转补偿器在热力管道的应用分析[J]. 特种设备安全技术, 2011年第1期
[2] 朱小波. 旋转补偿器在高压蒸汽管道中的应用及节能效果[J]. 石油化工技术与经济, 2013年2月第1期
[3] 钱忠仁, 钱忠平, 张盼.旋转补偿器产品特点及应用[J]. 管道技术与设备, 2015年第6期
[4] 曹建群.旋转补偿器在热力管道的应用分析[J]. 特种设备安全技术, 2011年第1期
作者简介：卢渝文(1984—)，男，研究生学历，工程师，主要从事与化学工程、热力管道及城镇燃气相关的设计。