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1、套筒补偿器的结构与发展 套筒补偿器是最古老的管道用补偿器，由于它补偿量大、阻力小、成本低、筒体寿命长，上世纪七十年代前一直得到广泛应用，但它密封处易泄漏，需检修。在八十年代波纹管补偿器应用于管道补偿后，逐渐占领了较大市场，但在应用中由于材料、水质和安装等因素出现了短期使用破裂问题，加之成本高，人们又关注套筒补偿器的使用，与此同时九十年代初，套筒补偿器为克服密封缺陷和消除介质压力所产生的轴向力，又相继出现了弹性套筒补偿器和“无推力”套筒补偿器以及用“油”密封等结构和新型密封材料。不仅促进了套筒补偿器的使用，而且“无推力”补偿器的结构相应促进了波纹管补偿器得到发展，从专利查询中可知，我国在套筒补偿
2、器处于领先。生产套筒补偿器的企业很多，为规范套筒补偿器的发展和应用、提高产品质量，我国建设部1994年发布了城市供热用焊制套筒补偿器行业标准。1套筒补偿器的型式进展套筒补偿器的型式进展是与密封材料、补偿器性能进展密切相关的。1.1 从结构上分类1）普通型 见图1，上世纪六十年代就采用此结构。这时套筒补偿器的基本型式，以后很多型式都是改变密封材料后在这种形式上发展起来的。图12）双向补偿在普通型的外套管两个方向均有伸缩芯管，补偿量为普通型的两倍，并且用于双向补偿，减少了采用两个普通型的长度尺寸和成本（图2）。图23）消除介质压力对固定支座轴向力的套管补偿器 为与普通补偿器相区别，这类补偿器常在“
3、套筒”前冠以“平衡式”“压力平衡式”“无推力”等定词，其结构型式从消除介质轴向力的原理上分为旁通式和活塞平衡式及平衡转角式三种。 旁通式结构如图3所示，从图上可知管道的热伸长是通过甲管在套筒中移动实现补偿的，介质流动不是直接由甲管流入乙管，而是经过旁通管实现的。这样在一个补偿器中就有了一对甲乙封头，介质压力产生的水平推力F1、F2在补偿器中实现了平衡。这一结构还可以看成是方向补偿器的型式，管道伸缩是采用套筒式的结构。图3 活塞自动平衡型补偿器如图4所示。在芯管外安装了一个环形活塞，并使活塞的总面积等于芯管的截面积，这是实现自动平衡的技术核心。此结构的受力分析如下；假定在一段管道上安装了“活塞自
4、动平衡型补偿器”，F1，F2为介质压力产生的轴向推力，其方向相反，大小相等，这两个力分别作用在套筒的左右连接管道上，若不能平衡，就应分别有左右两段管道上的固定支架承受。现在采用附加活塞体，活塞体内的介质通过连通孔3与管道相连，介质压力同样作用在活塞体1上，活塞的面积等于管道的截面积，则F1F1，F1通过活塞拉杆与左面套筒相连接，F2、F1是一对作用力和反作用力，大小相等，方向相反，于是F2F1、F2F1。这样两对作用力大小相等，方向相反，作用在一条直线上，使介质压力产生的轴向力得到了平衡。 以上两种结构在管道试压时，再也不会出现自东拉开的问题，也不会使套筒相对安装位置发生移动，便于施工、安装。
5、 平衡转角式结构补偿功能是依靠芯管移动实现的，由于介质流动转向在芯管端出现盲板，因此管段中，介质产生的轴向力在两端得到平衡。结构的基本形式有两种，可以根据管路布置选用，如图5。图54）一次性套筒补偿器用于直埋管道预热膨胀后在a、b两接触面处焊死，外套管和芯管不能再做相对移动，然后填埋，所以称一次性补偿器。图6图61.2从密封材料上分类 对密封材料的基本要求是：有一定的弹塑性、轴向压力能产生较大的径向压力；化学稳定性好；渗透性小；自滑性好（摩擦系数小，并耐磨）；耐温；还要方便更换，成本低廉。密封材料可以分为成型填料和非成型填料，目前所用的材料及性能如下。1）编制盘根制品 油浸石棉盘根、柔性石墨盘
6、根及复合石墨成型密封圈及其改性材料。所谓改性即增加了其他材料而提高了其性能、如石棉盘根外浸二硫化钼和聚四氟乙烯乳液，摩擦系数只有0.020.02.必须了解这些密封材料性能，正确使用，才能使密封达到良好效果，加膨胀石墨的密度对其性能影响较大，密度从0.7g/cm3增加到1.2g/cm3，抗拉强度从2.2MPa增加到6.2MPa，并且回弹率增高，常用密度为1.11.6g/cm3回弹率3550，摩擦系数0.130.15，使用温度800度。由于石墨电极电位高于金属，致使发生腐蚀（不锈钢同样发生腐蚀），应使用缓蚀性膨胀石墨，目前采用加锌粉方法。2）聚四氟乙烯（F-4）塑料制品F-4长期使用温度为1952
7、50度，F-4加入MOS2、SiO2、青铜粉、石墨、等填充剂后，除保持原有性能外，在负荷下尺寸稳定性提高10倍，耐磨可提高400800倍，钢对它的静、动摩擦系数为0.04，这种材料已成功运用在套筒补偿器上开启7000次无泄漏。可以称得上无泄漏套筒补偿器。3）橡胶制品 耐水、耐蒸汽、抗老化、气密性好的属硅橡胶和氟橡胶，常用温度为200度，最高使用温度为350度，过去蒸汽机车上的气缸活塞杆密封就用过这种材料，但成本较高。4）密封油 将密封油用高压油枪注入到套筒补偿器的填料函中。这种防止泄漏的方法是从常压堵漏方法中借鉴而来。但密封油不是堵漏胶，堵漏胶又称密封胶，它是用于管道设备在运行中（带压）在泄漏
8、处注入胶体，这种胶固化并与设备泄漏处紧密结合，不能产生相对运动，达到静结合密封。而套筒补偿器所用密封油（也是胶泥状）注入后，增加密封材料对芯管的径向压力起到密封作用，芯管仍能伸缩。这种密封油每个企业配方不一样。采用油密封后可以在管道运行中维修止漏，使套筒补偿器密封进一个新阶段。2.套筒补偿器密封结构套筒补偿器的密封结构常采用填料密封和机械密封。填料密封是一种接触式密封，在外套管与芯管之间填入弹性密封材料，在填料受到轴向力压紧后能紧贴在芯管表面，利用密封材料的弹性变形补偿密封面的磨损，阻止介质外漏，由于填料具有弹性和塑性，其所受轴向力（Px）在填料深度方向上产生的径向力（Py）是不等的，PyKP
9、x其中K：测压系数。由于这一特点，目前填料由单一填料发展成组合使用，如硬填料放在深部，软填料在压盖附近，或硬软填料中间放入密封油层，在出现泄漏时，采用补注油的方法止漏，或完全用“油”密封的填料结构（图7）。图7机构密封在以往是用在旋转轴的动密封上，它是由至少一对垂直于旋转轴的端面，在流体压力和补偿机构外弹力的作用下，与另一端面保持贴合并相对滑动，而构成防止流体泄漏的装置，因此又称端面密封，目前，这种密封达到的水平是，最高转数5万转/分，最高线速度150米/秒，压力可达35MPa，使用温度达1000度，轴颈达1000mm，允许泄漏量3-0.1mI/h，寿命达1-15年，因此用这种方法解决套筒补偿
10、器的密封，是完全有把握的，致使形位公差和配合精度要求高，成本要大大增加，上世纪90年代推出的弹性套筒补偿器就是这种密封的最简单形式（图8）。这结构在普通套筒补偿器压盖前增加了弹簧，在弹簧作用下，使密封填料始终处在被压紧状，从而使介质无泄漏。弹簧也可置入填料室内，使外观更为简单。图83.套筒补偿器摩擦力的求法3.1现行计算公式的缺陷 采用填料密封的摩擦力计算公式目前均采用以下算式： 由于拉紧螺栓产生的摩擦力为 图 由于管道介质压力所产生的摩擦力P2为： 图式中Pn介质工作压力（表压力）（Pa）；DN450mm时A、DN450mm时A1.75* 。要求分别按（1）（2）式计算取其较大值。公式（1）
11、的问题：其一是把螺栓拉紧产生作用于f面积上的正压力当成一个定值，并等于填料与芯管接触面上正压力；其二是n值是螺栓个数，加压值按个数正比增加，而实际由于填料产生塑性变形，按对称方式在拧紧过程中，先拧的要比后拧的螺栓用力大得多，为了使每个螺栓最终受力一样，采用力短标志扳手，也很难取得一致；其三填料深度B值大小对摩擦力的影响不是成正比管线。因此按式（1）计算结果与实际值相差很多。 公式（2）的问题是：APn反映介质压力作用于填料而产生的对密封面上的正压力，由于介质压力在填料长度上的分布也不是定值，所以按式（2）计算结果也是远离于实际值。3.2摩擦力计算值与实测值的比较 摩擦力计算值与实测值的比较见表
12、1。结果标明： 表11）计算出的摩擦力远大于实测值，而且起动摩擦力值大于平均值。2）摩擦力值与介质压力不成正比关系，随着介质压力提高，摩擦力值有上升趋势。3）三种规格产品密封材料相同，按照密封单位周长计算出摩擦力并不一样，取每一单位密封周长5次测试的平均值作为计算值，其均方误差分别为8.74、9.66、9.6，三种规格的实测值与三种规格的平均值比较，之间的相差11.5-34.6，从测试中可知生产企业必须制定出填入方法和压紧螺栓的工艺标准。3.3一个新的摩擦力计算公式 现取出一块填料分析受力，推导出摩擦力公式如下：图由式（3）可知，套筒型补偿器摩擦力与介质压力成正比，与填料摩擦系数、测压系数、填
13、料长度、厚度等有关，要减少摩擦力，就应减少填料摩擦系数、提高芯管填料函的表面光洁度，适当减少填料长度。计算式表明，填料的性能系数（） 的大小对摩擦力影响很大，一些资料上也只给出数据范围，如膨胀石墨的干摩擦系数为0.13-0.15测压系数为0.28-0.54，在实际应用中摩擦面并非于摩擦，有介质起到润滑作用，虽属同类材料其侧压系数也与容重、弹塑性关系很大，因此加工、安装工艺和材料性能确定后，通过必要的形式试验和相应的计算，找出产品性能规律，即可按以上公式求出计算摩擦力与实际摩擦力的偏差可以控制在一定范围。因此，套筒补偿器的有关标准要求每批产品做摩擦试验，确定摩擦力是十分必要的。各厂生产的补偿器应
14、在产品样本中给出摩擦力值，该值是计算固定支座的重要参数，制造厂对此值负责。3.4 采用注“油”填料密封的机理与摩擦求法采用注油填料密封的套筒补偿器外型上已去掉了填料函的压盖和压紧螺栓，其密封机理如图7，在两组普通浸油石棉盘根（或其他材料的盘根）中间注入“油”，使“油”分别向两边压紧，使盘根加大径向压力，产生密封作用，相当于套筒的一级密封，注入的“油”填料紧紧地与芯管接触，并且接触均匀，“油”填料主要分成柔性石墨，它与钢材表面摩擦系数为0.13-0.15，所以芯管运动阻力很小。通过测试，摩擦力主要与填料深度有关，其范围是DN100-500为300-350N/CM。DN600-1000为450-5
15、00N/CM。4.结束语综上所述，套筒补偿器的发展是围绕着解决使用中的两大问题进行的。一个是如何保证不泄露，另一个是减少对固定支座的推力。随着新密封材料和密封结构的应用，对解决泄漏或减少平时维护工作，已有了明显成效，随着自身平衡型结构的出现，实现了使固定支座不再承受介质压力产生的轴向推力。另外，补偿器自身的摩擦力也在降低。本文提出了求摩擦力的较准确计算式，但仍要依据数据和工艺的标准化。 我们相信随着技术进步，套筒补偿器必将向摩擦力小、多年运行（如5年以上）无泄漏和自身平衡型的方向发展，摩擦力的求法也将完整、准确、套筒补偿器也必将以其成本低、补偿量大，易安装、少（不）维护等优势获得及广泛应用。 柔性石墨概述及特点柔性石墨又称膨胀石墨，它以鳞石墨为原料，经化工处理生成层间化合物。在800-1000的高温下，层间化合物变成气体，使鳞片石墨膨胀二百倍左右，变得像棉花导热等优点，克服了脆性的缺点，因而显示良好的密封性。疏松多孔，富有弹性。在高温，高压或辐射条件下工作，不发生分解，变形或老化，化学性质稳定。柔性石墨的诞生，宣告化工密封领域内古板时代行将结束。与石棉垫片
