л形補償器的設(shè)計和應(yīng)用實例

侯珍珍

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250010)

管道的熱補償[1]可通過自然補償或采用補償器兩種，自然補償?shù)墓ぷ髟硎怯脛傂暂^小的回折管的撓性變形來補償兩端直管部分的熱伸長量，通常生產(chǎn)裝置中首先從管道布置上考慮自然補償，但是自然補償時添加的軸向活動支座妨礙管道橫向位移使得自然補償時各臂長度宜≤25m，彎曲應(yīng)力≤80MPa[2]，對于自然補償無法滿足應(yīng)力需求或無法實現(xiàn)自然補償?shù)墓艿绖t需選擇合適的補償器。л形補償器由于結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、投資較少成為補償器設(shè)計的首選，如何準確合理安全布置л形補償器值得探討。文章以某工程設(shè)計中導(dǎo)熱油管道為例，探討л形補償器布置。該管道設(shè)計數(shù)據(jù)見表1。

表1 管道設(shè)計參數(shù)表

1 管道的熱伸長量[1]

熱伸長量是指由于介質(zhì)的熱作用引起化工管道熱伸長，熱伸長量是管道熱補償器的設(shè)計依據(jù)之一。上述管道在該溫度范圍的管道熱膨脹系數(shù)а=13.10X10-4[cm/(mo℃)]，彈性模量Et=1.673×105MPa，其熱伸長量[1]:

ΔL=Lа(t2-t1)=105×13.10×10-1X(335-20)≈43.3cm

若兩端固定管道不能自由伸長，由熱伸長產(chǎn)生的管道內(nèi)應(yīng)力：

σt=EtoΔL/L=1.673×105×43.3×10/(105×103) ≈690MPa>92 MPa

且此時管道傳給固定點的力:

F=σt·A=σtoπs(DO-S)= 690×3.14×9.53×(355.6-9.53)=7.15×106(N)

可見，上述管道的熱膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力遠遠超過鋼材的許用應(yīng)力，并同時對管道兩端的固定支架產(chǎn)生很大的推力，在這種情況下需要考慮管道的熱補償。

2 管道的л形補償器

化工管道設(shè)計中常用的補償器有套管補償器，L形補償器，Z形補償器，л形補償器，T形補償器，波形補償器等，其中л形補償器因其結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，軸向推力較小，運行可靠且嚴密性好，不需要經(jīng)常維修等在化工管道設(shè)計中應(yīng)用最廣泛。л形補償器用優(yōu)質(zhì)無縫鋼管制成，當(dāng)DN≤150mm時，用冷彎法制作；當(dāng)當(dāng)DN>150mm時，用熱彎法制作，л形補償器由四個90°彎頭組成(彎頭半徑為1.5倍公稱通徑)，有四種類型[3]，如圖1。

圖1 л形補償器的類型

長距離管線要用固定點將管系分成若干可獨立膨脹的固定管段進行柔性設(shè)計。選擇固定點注意要使管段的熱伸長量不超過管托長度和補償器的允許補償量且保證管道產(chǎn)生的推力不超過固定點所能承受的允許推力值。л形補償器設(shè)置在兩固定點中部時補償效果最好，當(dāng)無法實現(xiàn)時，補償器距離固定點的距離不宜小于兩固定點間距的三分之一[1-4]。л形補償器兩側(cè)通過設(shè)置導(dǎo)向支架來防止管道橫向位移過大，導(dǎo)向支架一般設(shè)置在距離л形補償器外伸臂30～40倍公稱通徑長度的位置上，但彎頭、分支處不設(shè)導(dǎo)向架，最終應(yīng)按照現(xiàn)場自然條件、管道特性及應(yīng)力分析結(jié)果確定。

針對上述管道的實際情況設(shè)置了三個固定點將管道分成兩段可獨立膨脹的管段，并借助裝置結(jié)構(gòu)框架的沉降縫，將л形補償器設(shè)置在沉降縫處，如圖2。

圖2 л形補償器設(shè)置實例

3 管道的應(yīng)力分析

為了更準確的計算管道的內(nèi)應(yīng)力及支架受力情況，采用CAESAR II軟件，對上述整個管線的受力情況進行分析模擬。管道模型如圖3。

由圖分析可見，通過設(shè)置л形補償器H=7M，B=7m可使管道熱膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力控制在鋼材的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，并

且將管道產(chǎn)生的推力控制在固定點所能承受的允許推力值范圍之內(nèi)。

4 л形補償器彎管曲率變徑及外伸臂變化對其本身應(yīng)力及固定支架推力的影響

當(dāng)管道受熱伸長時，л形補償器左端固定點與補償器之間的管段向右延伸，右端固定點與補償器之間的管段向左延伸，補償器被彎曲而變形，從而使管道熱伸長量得到補償，通常л形補償器熱伸長的補償能力可達400mm。研究發(fā)現(xiàn)，彎管曲率變徑及外伸臂的變化對л形補償器本身結(jié)構(gòu)應(yīng)力場[5]的影響有一定規(guī)律。對上述導(dǎo)熱油管道的л形補償器受力區(qū)域利用ANSYS進行網(wǎng)格劃分，可知當(dāng)彎管曲率半徑分別取1.5R，2R，2.5R時應(yīng)力場分布情況不同，隨著曲率半徑增大，л形補償器應(yīng)力值分布區(qū)域逐漸擴大，應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱。即在產(chǎn)生相同應(yīng)力值的前提下，當(dāng)曲率半徑為1.5R時，彎管處的應(yīng)力集中現(xiàn)象最顯著，當(dāng)曲率半徑為2.5R時，應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱。這是因為л形補償器通過發(fā)生彈性形變來吸收管道的軸向荷載，對于彎管曲率半徑較大的補償器，其在發(fā)生形變時的轉(zhuǎn)矩較長，因此承受應(yīng)力的能力較強，受到應(yīng)力影響引起的形變程度較小，因而應(yīng)力值分布區(qū)域較大。因此，在產(chǎn)生相同應(yīng)力值時，彎管曲率半徑較小的補償器所體現(xiàn)出的應(yīng)力集中現(xiàn)象更明顯。

此外，在產(chǎn)生相同應(yīng)力值的前提下，當(dāng)固定彎管的曲率半徑只改變外伸臂的長度時，應(yīng)力場分布情況不同。隨著外伸臂長度的增加，受應(yīng)力影響范圍擴大，應(yīng)力集中區(qū)域變得明顯，且應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力值增大。這是因為，外伸臂的長度增加使得補償器在承受軸向應(yīng)力時軸向的剛度下降。當(dāng)外伸臂較小時，補償器沿軸向的整體剛度較高，承受軸向應(yīng)力能力較強，發(fā)生形變的程度較?。划?dāng)外伸臂加長時，補償器沿徑向的轉(zhuǎn)矩增加，當(dāng)承受相同的應(yīng)力值時發(fā)生形變的程度增大，從而對補償器的應(yīng)力場產(chǎn)生較大影響，產(chǎn)生較高應(yīng)力集中區(qū)域。

5 石化裝置管廊上管道л形補償器設(shè)計要點

化工裝置中管道數(shù)量巨大，應(yīng)首先根據(jù)裝置內(nèi)管道數(shù)量和走向，對管廊層數(shù)和寬度進行設(shè)計和分配，一般公用工程管道布置在管廊上層，工藝管線布置在下層。蒸汽和導(dǎo)熱油等高溫需要熱補償?shù)墓艿酪贾迷诠芾韧鈧?cè)，以便設(shè)置л形補償器。л形補償器的位置及尺寸最終通過管道應(yīng)力計算確定。對于同層管廊的多個л形補償器要統(tǒng)一規(guī)劃，盡量集中設(shè)置，統(tǒng)一設(shè)計支架。溫度較高、熱伸長量較大的管道布置在管廊外側(cè)，溫度稍低、熱伸長量稍小的管道布置在管廊內(nèi)側(cè)，某氯化吡啶生產(chǎn)裝內(nèi)管廊上л形補償器集中設(shè)置如圖3。

值得注意的是分支管不要從л形補償器上引出；在靠近л形補償器兩側(cè)的直管上引出支管時，不應(yīng)妨礙主管的變形和位移，且因主管熱膨脹引起的支管引出點的位移在支管能承受范圍之內(nèi)。此外，補償器應(yīng)采用無縫鋼管制作，焊接管道在反復(fù)受變動荷載作用下易開裂，焊接管僅能用于低壓(≤5/cm2)化工管道上。在計算固定架的推力時不應(yīng)將固定點分成幾個管系分別計算，而是應(yīng)將所有相關(guān)管道作為一個統(tǒng)一的、完整的管系整體計算。另外，π型補償器安裝時一般做預(yù)拉伸，當(dāng)介質(zhì)溫度小于250℃時，拉伸值為計算熱伸長量的50%，當(dāng)介質(zhì)溫度250～400℃時，拉伸值為計算熱伸長量的70%。在л形補償器安裝過程中，還要考慮水壓試驗狀態(tài)下的受力情況，重點檢查補償器的支吊架布置是否符合設(shè)計要求，支吊架焊接是否達到設(shè)計要求，并隨時觀測補償器的變化，防止管道失穩(wěn)造成補償器變形而失去原有作用。

圖3 多個л形補償器集中設(shè)置實例

6 結(jié)語

綜上所述，進行管道л形補償器設(shè)計時，首先根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)框架實際情況及管徑確定初步管道固定點位置及補償器型式，然后根據(jù)固定支架間距計算管道熱伸長量，最后通過CAESAR II軟件確定詳細的л形補償器尺寸及固定架受力情況，與此同時根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果優(yōu)化管道走向，設(shè)置安全合理的管系布置，節(jié)省工程投資，確保管系經(jīng)濟安全可靠運行。

[1] 《動力管道設(shè)計手冊》編寫組.動力管道設(shè)計手冊[M].機械工業(yè)出版社,2006.

[2] 王明生.天然氣管道補償器的選擇和應(yīng)用[J].上海煤氣, 2004 (4) :21-23.

[3] 宋岢岢.壓力管道設(shè)計及工程實例[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2015.

[4] 宋岢岢.工業(yè)管道應(yīng)力分析與工程應(yīng)用[M].中國石化出版社,2011.

[5] 孫亞丹,馬貴陽.長輸管道л形補償器的應(yīng)力場分析[J].當(dāng)代化工,2017,46(7):1440-1443.