架空敷設(shè)蒸汽管道的熱補償設(shè)計及典型問題分析

王冬巖

摘要：由于工作溫度很高，蒸汽管道產(chǎn)生熱應(yīng)力變化現(xiàn)象，該變化若不能得到有效補償，將會使管道承受巨大的應(yīng)力，從而導(dǎo)致管道嚴重變形，甚至破裂，因此需要考慮管道的熱補償，本文論述了架空敷設(shè)蒸汽管道熱補償設(shè)計及應(yīng)注意的問題，并對某工程項目中出現(xiàn)的典型問題進行了分析說明。

關(guān)鍵詞：架空敷設(shè)蒸汽管道；架空支架；波紋管補償器；應(yīng)力計算

1引言

蒸汽管道的運行溫度和壓力都很高，必須考慮管道的熱應(yīng)力變化，并采取相應(yīng)的措施，否則，由此產(chǎn)生的作用力將通過管道系統(tǒng)傳遞到固定支架和相連的設(shè)備上，對設(shè)備以及管道的安全運行構(gòu)成很大的威脅，易造成安全事故。為保證管道在熱狀態(tài)下運行的穩(wěn)定和安全，減少管道熱脹冷縮時所產(chǎn)生的應(yīng)力，蒸汽管道的設(shè)計中，必須充分考慮管道的熱補償問題。

2熱應(yīng)力變化與補償

2.1熱應(yīng)力變化

管道內(nèi)供熱介質(zhì)及周圍環(huán)境發(fā)生變化，將引起管道的熱脹冷縮，產(chǎn)生熱伸長和熱應(yīng)力變化，使管壁產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，若管線兩端不固定，允許其自由變形，則管壁的應(yīng)力變化對管的強度沒有什么影響。但若管線兩端都固定，不能自由伸縮，則管線因熱應(yīng)力變化而對固定點產(chǎn)生巨大的推拉力，該力可根據(jù)公式（1）計算：

（1）

式中， —為管線材料的彈性模量，M Pa；

—為管線材料的應(yīng)變；

—鋼管的截面積；

—為管線材料的線膨脹系數(shù)， ；

—為管線安裝時的長度，m；

—為工作溫度與安裝溫度之間的差值， 。

在直段兩端固定情況下，單位長度的 #（D219x6mm）無縫鋼管，在200 的環(huán)境中工作時，其管線的熱應(yīng)力可計算得 ，遠大于 #鋼在200 時的許用應(yīng)力123MPa，鋼管壁截面積為4013 ，根據(jù)公式（1）可計算出管線對固定支架的作用力 ，如此大的推力是任何設(shè)備或者支架都無法承受的。

2.2管道熱補償

為了吸收管道熱伸長和消除管道所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，在設(shè)計中，必須考慮管道的熱補償，補償分自然補償和人工補償2種。自然補償是指充分利用管道自身的彈性彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，以達到熱脹和冷縮的要求；人工補償是在有熱脹或冷縮的管道上人為的裝設(shè)補償元件，如方形補償器、套筒補償器、波紋管補償器和球形補償器等，補償元件因其自身的柔性而具有補償功能。

熱補償設(shè)計時首先應(yīng)充分利用管道本身的自然彎曲進行補償，當(dāng)彎管轉(zhuǎn)角小于150o時用自然補償；大于150o時不能用自然補償。動力管道設(shè)計中自然補償常采用L型直角彎，Z字形折角彎及空間立體彎三類自然補償。

空間立體管段補償能力是否能夠依靠自身的彈性變形來吸收熱應(yīng)力形變，必須通過計算進行判定，可按公式（2）判別：

（2）

式中， —管道的公稱直徑，cm；

—管系總變形量，cm；

—管系在兩固定端之間的展開長度；

—管系在兩固定端之間的直線距離，m。

應(yīng)用公式（2）時應(yīng)保證管材管徑一致且兩端必須固定，中間無限位支吊點和分支管。如果滿足公式（2），則說明管系具有足夠的彈性，熱應(yīng)力形變導(dǎo)致的端點位移所產(chǎn)生的作用力在許可范圍之內(nèi)。

蒸汽管道補償設(shè)計的核心是管道的應(yīng)力分析計算，采用應(yīng)力分析軟件進行應(yīng)力計算主要分3步：（1）繪制初步的管線布置圖，以固定支架和設(shè)備劃定需要計算的管道系統(tǒng)；（2）正確設(shè)置配置文件；（3）輸入管系的各項計算參數(shù)，如設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、管徑、材質(zhì)以及管件、支吊架形式和位置等，程序便進行靜態(tài)和動態(tài)分析。若應(yīng)力分析計算未通過，則調(diào)整管道的走向、改變補償結(jié)構(gòu)、改變支架和吊架的形式和位置，重新驗算直至合格通過。

3 蒸汽管道熱補償設(shè)計中應(yīng)注意的幾個問題

3.1支架的設(shè)置

蒸汽管系所受載荷主要是外力載荷和位移載荷，設(shè)置管架的目的在于消除外載作用在設(shè)備或管道上的作用力，將管道系統(tǒng)分割成簡單穩(wěn)定、可獨立膨脹的管段，同時用來承受管道因熱脹冷縮所產(chǎn)生的推力，其推力大小與管徑、溫度、支架位置和補償器的形式有關(guān)，一般應(yīng)考慮三個方面：

（1）管段的熱伸長在補償器的允許補償量范圍內(nèi)；

（2）管道不產(chǎn)生縱向彎曲，特別是對同軸度要求較高的補償器，固定支架的間距尤為重要。為保證補償器的同軸度，補償器應(yīng)安裝在固定支架旁的直管段上，活動側(cè)設(shè)導(dǎo)向支架。

（3）2個固定支架之間的管段不應(yīng)安裝多個單式補償器，除了兩端設(shè)備外，中間支架應(yīng)全為滑動管托。

為避免選用多個補償器，設(shè)計時應(yīng)首先簡化管道系統(tǒng)，再確定管道的位移、固定支架及其受力分布情況，最后確定固定和導(dǎo)向支架。

3.2補償器的應(yīng)用

一般而言，高溫和大直徑的管道系統(tǒng)適合使用波紋管補償器，其優(yōu)點是吸收位移大并且使得管道系統(tǒng)美觀和緊湊。但由于波紋管補償器自身結(jié)構(gòu)的原因，波紋管補償器也成為管道系統(tǒng)中最為薄弱的環(huán)節(jié)，因此在決定使用波紋管補償器時，應(yīng)對管道系統(tǒng)進行詳細而且嚴格的應(yīng)力分析，從而決定安裝波紋管補償器的位置以及型式，不可以盲目的隨意使用。

波紋管補償器在應(yīng)用時必須考慮內(nèi)壓推力和彈性反力，許多蒸汽管道的運行事故，如支架移位、彎頭撕裂等，都是由于對固定支架受力估計不足導(dǎo)致的。內(nèi)壓推力是內(nèi)壓作用在波紋管壁上的力，它可沿波紋管壁傳至固定支架上，力的大小可根據(jù)公式（3）計算：

（ 3 ）

式中， —為管道的內(nèi)壓推力，N；

—為管道的內(nèi)壓力，M Pa；

—為波紋管的有效面積，mm2。

而彈性反力按公式（4）計算：

（ 4 ）

式中， —為波紋管的軸向剛度， ；

—為波紋管吸收的軸向位移量，mm。

如某蒸汽管道直徑為800mm，波紋管的有效面積為587700mm2，軸向剛度為1090 ，補償量為150mm，管道內(nèi)壓力為1.6MPa，根據(jù)公式（3）、（4）可得內(nèi)壓推力F=940KN，彈性反力F=163.5KN，這么大的推力對支架或設(shè)備元件都將構(gòu)成很大威脅。

3.3不平衡力

在管道閥門、盲端或支管與主管交匯處，管道內(nèi)介質(zhì)的流動會對管道產(chǎn)生盲板力，通過管道傳遞至附近的固定支架上。當(dāng)在兩個固定支架之間設(shè)置套簡或軸向波紋補償器，補償器一側(cè)有閥門且閥門關(guān)閉，或固定支架設(shè)置位置靠近彎管段，內(nèi)壓力的作用將有使補償器脫下的趨勢。因此固定支架必需有足夠的剛度，以抵抗使補償器脫開的盲板力。

3.4管道水擊

由于蒸汽管道間斷運行，管道中產(chǎn)生凝結(jié)水不能排出來，冷凝水在蒸汽的壓力作用下，會對管壁產(chǎn)生沖擊，水擊產(chǎn)生的能量釋放不出來，最終作用在管道保溫結(jié)構(gòu)、支架、補償器及閥門上。但因管道是剛性的，抗水擊能力強，波紋補償器波紋是柔性體，無法抵御水擊瞬間劇增壓力波沖擊振動，造成破壞。波紋補償器最薄弱的環(huán)節(jié)是波紋補償器的波紋，水擊的結(jié)果造成波紋變形甚至破裂。

防止管道水擊的措施：根據(jù)熱負荷合理確定相應(yīng)管徑，有針對性的設(shè)置好疏水點，及時進行疏水。在補償器的設(shè)計布置方式上，也應(yīng)加以改進，建議將波紋補償器遠離彎頭及上翻處的固定支架，改在靠近另一側(cè)的固定支架，這樣即使管道中存在少量積水，但作用位置遠離補償器，可大大減少水擊的對波紋補償器造成的破壞。

4蒸汽管道熱補償失效的案例分析

4.1工程概況

某工程蒸汽管利用支架架空敷設(shè)，管材為20#無縫鋼管，管徑D325x8mm，總長度1200米，為防止管道運行時帶來較大的熱伸長和熱應(yīng)力，布置了波紋補償器并設(shè)置了疏排水及導(dǎo)向支架，如圖1、2所示。

圖1 部分管道安裝圖

圖2 部分管道安裝圖

運行一段時間后，在56#至62#管架之間的管道出現(xiàn)位移現(xiàn)象，其中57#至62#滑動支座脫離支架朝南發(fā)生位移約200mm，5#固定支架傾倒，48#管架處波紋補償器已被壓扁，壓縮量200mm。

4.2波紋補償器失效原因分析

（1）滑動支架、管道發(fā)生位移

按照規(guī)范要求，在兩個固定支座間設(shè)置的軸向位移補償器，宜一端靠近固定支座安裝，同時與導(dǎo)向支架的安裝距離也要合理，如圖3所示。圖紙設(shè)計的波紋補償器與第一、第二導(dǎo)向支架的間距，不符合要求，從而導(dǎo)致滑動支座脫離支架，管道出現(xiàn)位移偏差，所以施工時要注意波紋補償器安裝布置問題。

圖3 支座設(shè)置

（2）支架傾倒

5#、7#支架在施工中處遇到障礙，5#支架處的波紋補償器改成方形補償器，這兩種補償器對固定支架的作用力是不同的，施工單位對此沒有充分認識，使原來設(shè)計承受很小推力的固定支架承受很大推力，導(dǎo)致支架傾倒事故發(fā)生。

（3）補償器變形破壞

經(jīng)對現(xiàn)場安裝的波紋補償器勘查，發(fā)現(xiàn)其安裝時出現(xiàn)偏斜，造成波紋補償器主要受力方向不是軸向力，而是偏向力，偏向力對補償器產(chǎn)生一定的扭矩，而波紋補償器管壁較薄抗扭矩能力差，致使補償器變形破壞。

5結(jié)論：

任何一個環(huán)節(jié)的失控都會導(dǎo)致補償器壽命的降低甚至失效，在進行蒸汽管網(wǎng)設(shè)計、補償器選型計算和布置、組織施工時，要充分考慮各種因素：

（1）設(shè)置支架時保證管道不產(chǎn)生縱向彎曲；補償器應(yīng)安裝在固定支架旁的直管段上，活動側(cè)設(shè)導(dǎo)向支架；2個固定支架之間的管段不應(yīng)安裝多個單式補償器。

（2）為防止內(nèi)壓推力和彈性反力造成破壞，補償器宜成對布置，以利于減少固定支架受力；在選用軸向型補償器時應(yīng)優(yōu)先采用外壓軸向型。

（3）固定支架必需有足夠的剛度，以抵抗使補償器脫開的盲板力；補償器最好在靠近彎頭的固定支架附近布置，有利于減少固定支架受力。

（4）設(shè)置好疏水點，及時進行疏水；將波紋補償器遠離彎頭及上翻處的固定支架，改在靠近另一側(cè)固定支架，減少水擊的對波紋補償器造成的破壞。

只要我們在蒸汽管道施工中掌握原則，正確運用，就可杜絕安全事故的發(fā)生。

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