直管壓力平衡型膨脹節(jié)在管廊設(shè)計(jì)中的應(yīng)用*

劉宏偉，劉淵君

(甘肅紅峰機(jī)械有限責(zé)任公司，甘肅平?jīng)?744000)

0 引言

在實(shí)際工程項(xiàng)目中，管廊上吸收熱脹應(yīng)力的方法有很多種，主要分為自然補(bǔ)償(方形補(bǔ)償器和立體補(bǔ)償器)和波紋管膨脹節(jié)補(bǔ)償(壓力平衡型膨脹節(jié)，大拉桿膨脹節(jié)，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器節(jié)等)。在極端情況下，當(dāng)管道的壓力較小時(shí)，并且沒(méi)有空間來(lái)設(shè)置自然補(bǔ)償彎時(shí)，可以在管系中加入波紋管膨脹節(jié)來(lái)增加柔性，波紋管膨脹節(jié)可以在非常短的管段長(zhǎng)度內(nèi)提供非常大的柔性。本章將以壓力平衡型膨脹節(jié)(圖1)為典型介紹其在氣化管廊中的應(yīng)用。

圖1 壓力平衡型膨脹節(jié)

1 壓力平衡型膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)和工作原理

(1)膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)依據(jù)是根據(jù)我國(guó)GB/T12777－2008《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》。膨脹節(jié)的溫度范圍:一般膨脹節(jié)的波紋管是用薄壁的奧氏體不銹鋼材料(304，304L，316，316L)制成。當(dāng)接管、內(nèi)襯筒的材質(zhì)為碳鋼時(shí)，膨脹節(jié)的工作溫度范圍為－20～420℃;當(dāng)波紋管、接管、內(nèi)襯筒的材質(zhì)均為不銹鋼時(shí)，膨脹節(jié)的工作溫度范圍為－196～700℃。當(dāng)介質(zhì)含有腐蝕性液體時(shí)，內(nèi)襯筒材質(zhì)為鎳基合金(Inconel625，Inconel600)，膨脹節(jié)的工作溫度范圍為－196～650℃。

(2)壓力平衡型膨脹節(jié)的工作原理 直管壓力平衡性膨脹節(jié)分為內(nèi)壓式和外壓式兩種，該類(lèi)型膨脹節(jié)都由兩組工作波和一組平衡波組成，直管壓力平衡型膨脹節(jié)主要用于補(bǔ)償軸向位移，膨脹節(jié)通過(guò)工作波和平衡波的相互作用來(lái)承受管道的內(nèi)壓推力。在外壓式直管壓力平衡型膨脹節(jié)(見(jiàn)圖2)中，管道介質(zhì)的壓力通過(guò)膨脹節(jié)內(nèi)部開(kāi)孔結(jié)構(gòu)主要集中的波紋的外部，此種結(jié)構(gòu)相對(duì)于內(nèi)壓式直管壓力平衡型膨脹節(jié)不易產(chǎn)生波柱失穩(wěn)的現(xiàn)象，而且它的補(bǔ)償范圍最多可以達(dá)到500 mm，遠(yuǎn)大于內(nèi)壓式的100 mm，所以在工程中我們多用外壓式直管壓力平衡膨脹節(jié)來(lái)吸收管道較大的軸向位移。

圖2 外壓式直管壓力平衡型膨脹節(jié)

2 在工程中的應(yīng)用

某裝置氣化管廊最底下為DN1 400 mm的火炬排放管線，工藝排放壓力為0．4 MPa，排放溫度為241℃。在140 m長(zhǎng)的火炬排放管線上，如果考慮自然補(bǔ)償，有兩種補(bǔ)償方式:一種為方形補(bǔ)償器(見(jiàn)圖3)，另一種為立體補(bǔ)償器(見(jiàn)圖4)。如果考慮火炬管線的排放坡度，采用方形補(bǔ)償器，在140 m的距離內(nèi)必須設(shè)置兩組伸長(zhǎng)9 m的方形補(bǔ)償器來(lái)吸收管線的二次應(yīng)力，采用這種方法的話，此層管廊的中只能布置這一根排放管線，其它管線則要分層布置，或者把方形補(bǔ)償器處的管廊延伸一部分到管廊框架以外。如果采用立體補(bǔ)償器，則破壞了火炬管線的排放坡度，需要在兩個(gè)補(bǔ)償器之間增加分液罐，如果積液太多則會(huì)對(duì)管線產(chǎn)生積液沖擊。此外，此裝置管廊的寬度和地方有限，DN1 400 mm的火炬管一個(gè)彎頭就2 133 mm，綜合以上原因最后在氣化火炬管線上采用直管壓力平衡型膨脹節(jié)(見(jiàn)圖5)的形式來(lái)解決管線坡度和二次應(yīng)力矛盾的問(wèn)題，有效的吸收管線的軸向位移和降低固定點(diǎn)的推力，并減小了排放氣體的排放阻力。

圖3 方形補(bǔ)償器

圖4 立體補(bǔ)償器

圖5 直管壓力平衡型膨脹節(jié)

(1)直管壓力平衡型膨脹節(jié)在caesarⅡ文件中的設(shè)計(jì)輸入

因?yàn)橹惫軌毫ζ胶庑团蛎浌?jié)只吸收軸向位移，因此在caesarⅡ文件的設(shè)計(jì)輸入中只需要定義Axial Stif(軸向剛度)即可(見(jiàn)圖6)，它的具體取值可以參考廠商的樣本并結(jié)合管廊需要的補(bǔ)償量來(lái)確定。Trans Stif(橫向剛度)和Torsion Stif(扭轉(zhuǎn)剛度)定義為無(wú)窮大。

圖6 CaesarⅡ中軸向剛度的設(shè)計(jì)

在1 400 mm的火炬排放管中設(shè)置直管壓力平衡型膨脹節(jié)，它的長(zhǎng)度一般在3 000 mm左右，重量可達(dá)到10T左右，所以它的重量也必須在設(shè)計(jì)輸入中考慮進(jìn)去，以免其附近支架的計(jì)算承重載荷和實(shí)際承重載荷出現(xiàn)偏差。輸入的具體做法可以在膨脹節(jié)的兩端取1 mm的單元重量塊去模擬膨脹節(jié)的重量(見(jiàn)圖7)。

圖7 CaesarⅡ中模擬膨脹節(jié)重量的設(shè)計(jì)

(2)直管壓力平衡型膨脹節(jié)在管廊上的安裝位置和管廊支架的設(shè)計(jì)

直管壓力平衡型膨脹節(jié)作為膨脹節(jié)的一種，其膨脹節(jié)的特點(diǎn)決定了它本身也是一個(gè)柔性元件，所以一般在安裝直管壓力平衡型膨脹節(jié)的管廊上，首先膨脹節(jié)兩端固定管架的形式必須由半固定改為全固定形式，直管壓力平衡型膨脹節(jié)必須安裝在固定的附近，并且盡量靠近這個(gè)固定點(diǎn)，以防止膨脹節(jié)橫向或者扭轉(zhuǎn)的變形破壞。

其次，直管壓力平衡型膨脹節(jié)它的外形結(jié)構(gòu)在最外層有一層平衡波，因此它的外徑很大，當(dāng)多根火炬管線在管廊上并排排列時(shí)，如果要加直管壓力平衡型膨脹節(jié)，一定要考慮管子之間的間距。另一方面，在管廊上，結(jié)構(gòu)的固定點(diǎn)位置已定，所以管廊上多根管線的膨脹節(jié)往往都會(huì)集中在結(jié)構(gòu)固定點(diǎn)附近，此時(shí)要注意，相鄰兩根管線上的膨脹節(jié)位置一定要錯(cuò)開(kāi)，否則很可能在膨脹節(jié)的布置中因?yàn)閺较虺叽邕^(guò)大而放置不下。第三，因?yàn)榇蟮幕鹁婀芫€上膨脹節(jié)本身自重都比較重，所以膨脹節(jié)附近的支架都盡可能的靠近其設(shè)定。第四，膨脹節(jié)除了一端為固定點(diǎn)外，另一端離膨脹節(jié)最近的兩個(gè)支架的盡量設(shè)計(jì)為側(cè)向限位和上下限位的形式，兩個(gè)固定點(diǎn)之間的其余管架根據(jù)距離做導(dǎo)向處理，此種做法可能最大限度的防止直管壓力平衡型膨脹節(jié)除軸向變形外的其他破壞性變形。

(3)火炬管線上膨脹節(jié)材質(zhì)的選取

管廊上火炬管線作為各個(gè)裝置廢氣的排放通道，它里面的排放氣體組分非常復(fù)雜，可能含有腐蝕型介質(zhì)和CL－等，所以為保險(xiǎn)起見(jiàn)，火炬管線上直管壓力平衡型膨脹節(jié)的外層材料我們通常選取316L，內(nèi)層般銀行柜臺(tái)人員即可操作，通過(guò)改進(jìn)辨?zhèn)畏椒ǎ岣吡藗吴n辨出率，特別是提高了對(duì)變?cè)鞄诺谋鎮(zhèn)嗡?，達(dá)到了預(yù)期的效果。

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