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套筒补偿器的结构与发展

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套筒补偿器的构造与开展ﻫ
　　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、本钱低、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ﻫ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,加之本钱高,人们又关注套筒补偿器的使用，与此同时九十ﻫ年代初，套筒补偿器为克制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〞密封等构造和新型密封材料。不仅促进
了套筒补偿器的使用,而且“无推力〞补偿器的构造相应促进了波纹管补偿器得到开展,从专利查询中可知,我国在套筒补偿器处于领先。生产套筒补偿器的企业很多，为标准套ﻫ筒补偿器的开展和应用、提高产品质量,我国建立部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ﻫ　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。ﻫ1.1 　从构造上分类ﻫ1)普通型 见图1，上世纪六十年代就采用此构造。这时套筒补偿器的根本型式,以后很多型式都是改变密封材料后在这种形式上开展起来的。ﻫ图1ﻫ2〕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本钱〔图２)。ﻫ图２
3)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“套筒〞前冠以“平衡式〞“压力平衡式〞“无推力〞等定词,其构造型式从消除介
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。
　 旁通式构造如图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
ﻫ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。这一构造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构造。
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。此构造的受力分析如下;假定在一
段管道上安装了“活塞自动平衡型补偿器〞,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收道上,假设不能平衡，就应分别有ﻫ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，那么Ｆ1＝Ｆ1,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F２=F1、Ｆ2＝F1。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。ﻫ 　 以上两种构造在管道试压时，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。ﻫ 　 平衡转角式构造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。构造的根本形式有两种，可以根据ﻫ管路布置选用,如图５。
图５
4)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6ﻫ图６
1.2　从密封材料上分类
对密封材料的根本要求是：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，本钱低廉
。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。ﻫ1)编制盘根制品 油浸石棉盘根、柔性石墨盘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ﻫ,摩擦系数只有0.02-0.02．必须了解这些密封材料性能,正确使用，才能使密封到达良好效果,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1.1-1．６g/ｃm3回弹率３5－５０％，摩擦系数0.13-０．15，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ﻫ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。ﻫ２)聚四氟乙烯〔F-4)塑料制品　F-４长期使用温度为-195－250度,F-４参加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400-800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,但本钱ﻫ较高。ﻫ４)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〕在泄漏处注入胶体，这种胶固化并与设备泄漏处严密结合，不能产生相对运动,到达静结合密封。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.套筒补偿器密封构造ﻫ　 套筒补偿器的密封构造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外表，利用ﻫ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，Ｐy=KPx其中K:测压系
数。由于这一特点，目前填料由单一填料开展成组合使用,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〞密封的填料构造(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,这种密封到达的水平是，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－ﻫ０．1mI/h,寿命达1-15年，因此用这种方法解决套筒补偿器的密封,是完全有把握的,致使形位公差和配合精度要求高，本钱要大大增加，上世纪90年代推出的弹性套筒补偿器就是
ﻫ这种密封的最简单形式〔图8)。这构造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8ﻫ3.套筒补偿器摩擦力的求法ﻫ3.1 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：ﻫ　 由于拉紧螺栓产生的摩擦力为
图-－=＝=ﻫ 由于管道介质压力所产生的摩擦力P2为：ﻫ 　图＝==＝=＝ﻫ式中Pｎ－－－介质工作压力(表压力〕(Pａ)；DN>４50mm时A=　 　、DN＞4５0ｍm时Ａ＝1.75* 　。要求分别按〔1)(2)式计算取其较大值。公式〔1〕的问题:其一是把螺栓ﻫ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ﻫ。
3.2 摩擦力计算值与实测值的比较ﻫ 　 摩擦力计算值与实测值的比较见表1。结果标明:
　 表1ﻫ１)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。ﻫ２〕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一样,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。ﻫ3．3　一个新的摩擦力计算公式ﻫ 　现取出一块填料分析受力，推导出摩擦力公式如下：ﻫ 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ﻫ面光洁度,适当减少填料长度。ﻫ　　计算式说明，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。ﻫ 　各厂生产的补偿器应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。ﻫ3.4 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ﻫ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ﻫ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4５0-500Ｎ/CM。ﻫ4. 完毕语
　综上所述，套筒补偿器的开展是围绕着解决使用中的两大问题进展的。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构造的应用,对解决ﻫ泄漏或减少平时维护工作，已有了明显成效,随着自身平衡型构造的出现，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ﻫ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开展，摩擦力的求法也将完整、准确、套筒补偿器也必将以其本钱低ﻫ、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，克制了脆性的缺点,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完毕。与石棉垫片相比，柔性石墨具有以下明显的优越性：
-、无辐射无污染。柔性石墨不含对人体有害的成份,而石棉制品却具有辐射人体的危害,并且也会污染环境。
　二、耐高温。柔性石 墨增强复合垫片能耐165０℃的高温，即使化工设备熔化，它仍安然无恙。而石棉制品在５00℃时内部的结晶水就要分解出来,使自身粉化,失去成效。
　　三、适用范围广。柔性石墨除了强氧化性酸之外，能耐及大多数的化工介质,包括用于放射性化工介质，而石棉制品适应性差，不能用于放射性介质。一些化工塔器、换热器等，要求连接部位不隔热，柔性石墨能做到,石板制品那么不能。
四、 使用简便快捷。柔性石墨的垫片系数只有石棉制品的一半，也就是说,要到达同密封效果,上紧螺丝的力量可以小得多。柔性石墨除具备上述明显的特性外,还具有密封性能优异、压缩性、加弹性好、抗氧化性的特点,具有极强的自润性和可塑性，同时具有良好的导电、比重大、密度高等特点,可制作各种调整柴油机、压缩机等各类管道、法兰垫片等。
在密封领域的应用
　 石墨作为一种新型材料已在密封领域得到高度重视与广泛应用,经过近十几年的开展，柔性石墨密封产品已被广泛应用到发动机、机械、汽车、纺织、化工等各种行业,在密封领域逐渐占主导地位。
　70年代前,由于石棉制品的局限性,促使某些化工设备采用金、银、因科镍等贵重的金属和合金做密封件，而现在,完全可以用廉价的柔性石墨代替。鉴于柔性石墨具有的特性,我国充分利用我们鳞片石墨的储量和品质占世界第一的优越条件逐渐重视以其为原料进展新型密封产品的研制与开发。在国家计委下文推荐的高新科技产品中,便有新型的密封件。自1986年?中国技术市场报?向全我国首创的一种柔性石墨密封件问世以来，我国已开展成为柔性密封件生产的大国，产品除满足国内化工行业和其他行业的需要外,还出口美国、德国、意大利、加拿大、英国等全世界上百个国家和地区,反响良好。石墨作为一种优质材料已被国际市场普遍认可，目前已广泛应用于各种领域。但在国内，由于局部用户认为柔性石墨密封件一次性购置费用比石板制品高，许多中小型化工企业至今仍使用石板制品,以至造成“跑、冒、滴、漏〞,物料损失严重，事故隐患很多。事实上，石板制品使用寿命短、更换频繁,其费用比柔性石墨高得多，更不用说因其密封不可靠造成的物料损失和事故损失了。目前，我公司所生产的石墨垫片已完全符合密封行业的欧Ⅲ标准。
随着市场的进一步成熟与开展，石墨密封制品必然将完全替代其他密封产品。

氟橡胶垫片
氟橡胶是指主链或侧链的碳原子上含有氟原子的一种合成高分子弹性体，这种橡胶具有一般橡胶无可比较的特殊优点，具有许多优异的性能,广泛用于石化、化工、汽车、机械、轻工等行业,要求苛刻的关键性部位上。　
一、耐高温性能：氟橡胶有优异的耐高温性能，可在2５０℃下长期使用，在300℃下短期使用,耐老化、耐候性能优异。
　 二、耐化学腐蚀性能： 氟橡胶特点之一是具有极优越的耐化学腐蚀性能,它对有机液体、酸、碱、油脂等化学品的稳定性均优于其他橡胶。　
　三、耐过热水、及蒸汽性能:配方优异的氟橡胶制品，对热水、高温蒸汽有优良的稳定作用。
　 四、耐燃 耐高真空性能：氟橡胶与火接触能燃烧，但离开火焰后就自动熄火,属于自熄型橡胶，氟橡胶具有极佳的耐真空性能。

套筒补偿器构造特点
20０９-０４-2２ 23:40

一、构造特点
套筒式补偿器称管式伸缩节，是热流体管道的补偿装置,主要用于直线管道的辅设。适用于热水、蒸气、油脂类介质，通过滑动套筒对外套筒的滑移运动,到达热膨胀的补偿。
套筒式补偿器适用于介质工程压力≤２.5MPａ，介质温度-40℃~６00℃。ﻫ套筒式补偿器采用新型的密封材料柔性石墨环，其具有强度大，摩擦系数小〔０.04~0.10)，不老化,效果好,维修方便等特点。
套筒式补偿器的使用寿命大,疲劳寿命与管道相当。滑动外表经特殊处理,在盐水、盐溶液等环境下耐腐蚀性能好，比奥氏体不锈钢高５0倍以上。同时,多年后因磨损导致密封效果减弱时,可再次紧固法兰,增强密封性能,也可将螺栓松开,取下压圈，再装进一层或两层密封环,压紧压圈,继续使用。
套筒式补偿器对氯离子含量无要求,特别适用于介质或周围环境氯离子超标的系统上。
套筒式补偿器分单向型和双向型补偿构造，双向型特点是不管介质从补偿器何端流入,其补偿器两端的滑动套筒总是自由滑动，到达双向补偿作用,增大补偿量。
直埋型套筒式补偿器能直埋于地下,安装时可不设置维修井,工程造价低。

表示：公称直径15０ｍm、工作压力0.6ＭPａ，轴向补偿量200mm,接收连接的单向套筒式补偿器。
三、套筒式补偿器技术参数
1、TD型单向补偿器技术参数见表１，构造型式见图一。
2、TS型双向补偿器技术参数见表２,构造型式见图二。
3、直埋式套筒补偿器构造型式见图三。
4、注填式套筒补偿器见图四。