新型管道補(bǔ)償器的應(yīng)用和探討

上海燃?xì)馄謻|銷售有限公司 沈 昕

0 前言

燃?xì)夤艿老到y(tǒng)因熱脹冷縮會產(chǎn)生線膨脹或線收縮，從而將影響到管道系統(tǒng)的安全運行。對此，通常使用以波紋管為核心元件的管道補(bǔ)償器來對燃?xì)夤艿赖臒崦浝淇s進(jìn)行補(bǔ)償?，F(xiàn)有管道補(bǔ)償器中僅設(shè)有一個導(dǎo)流筒，因而介質(zhì)在其中流動時只能單向流動，一旦管網(wǎng)中燃?xì)饬飨虬l(fā)生改變，就會造成波紋管無法正常使用。在管道平時的運行維護(hù)中也發(fā)現(xiàn)大部分補(bǔ)償器變形都發(fā)生在波紋管上，相對而言，波紋管剛度小，自身抗扭能力低，過度拉伸就會造成其破壞引發(fā)燃?xì)庑孤ａ槍@些情況，我公司技術(shù)部門對原有補(bǔ)償器加以技術(shù)改進(jìn)，研發(fā)設(shè)計了一種新型管道補(bǔ)償器以彌補(bǔ)上述不足。

1 基本結(jié)構(gòu)

1.1 原補(bǔ)償器

如圖1所示，管道補(bǔ)償器主要由法蘭、波紋管（通常為六波）、接管、導(dǎo)流筒、和拉桿等組成。它是利用波紋管的彈性伸縮變形來吸收管道由于熱脹冷縮等原因產(chǎn)生的尺寸變化，即補(bǔ)償管道由于熱變形、機(jī)械變形和各種機(jī)械振動而產(chǎn)生的軸向、角向和側(cè)向位移，從而起到提高管道使用壽命的作用。當(dāng)然，作為安裝在燃?xì)夤艿郎系母郊?，管道補(bǔ)償器同時還需具有耐壓、密封、耐腐蝕、耐沖擊和減振降噪的功能。出廠時補(bǔ)償器處于自然長度，拉桿(通常為四根)的兩端分別通過緊固件(螺母)固定在對應(yīng)的拉桿安裝耳板上。

圖1 常見的管道補(bǔ)償器

1.2 新型補(bǔ)償器

新型管道補(bǔ)償器主要包括：法蘭、波紋管、接管、第一導(dǎo)流筒、第二導(dǎo)流筒、拉桿和限位裝置。

新型管道補(bǔ)償器主要是導(dǎo)流筒由整體式改進(jìn)為兩段式，如圖2所示。

圖2 新型的管道補(bǔ)償器示意

第一導(dǎo)流筒與第二導(dǎo)流筒在波紋管內(nèi)部同軸間隙套合。其次，在原來四根拉桿的基礎(chǔ)上增加一根刻有尺度的拉桿，并在其中一端安裝限位裝置。再者，新型補(bǔ)償器的波紋管是由采用兩層材料一次液壓成型。

2 技術(shù)改進(jìn)

2.1 導(dǎo)流筒

導(dǎo)流筒在管道補(bǔ)償器中主要起到導(dǎo)流的作用，使波紋管內(nèi)流動的介質(zhì)較為平穩(wěn)，減少高速流體流經(jīng)波紋管而引起的結(jié)構(gòu)振動，同時也可以避免膨脹節(jié)在吸收管道變形時造成的波紋管失穩(wěn)現(xiàn)象，從而起到保護(hù)波紋管的作用。

原有的補(bǔ)償器僅設(shè)置一個導(dǎo)流筒，導(dǎo)流筒一端焊接在接管內(nèi)壁上，另一端并不與接管焊接，因此導(dǎo)流筒與接管之間存在夾層。若管道內(nèi)氣體反向流動，則將會進(jìn)入夾層，對波紋管形成直接的沖擊，情況嚴(yán)重時還會將導(dǎo)流筒沖刷下來。這些都會造成管道補(bǔ)償器的損壞。

新型管道補(bǔ)償器中設(shè)置有一對相向延伸的導(dǎo)流筒，即第一導(dǎo)流筒和第二導(dǎo)流筒。其中，第一導(dǎo)流筒的一端與第一接管的內(nèi)壁焊接，第二導(dǎo)流筒的一端與第二接管的內(nèi)壁焊接，且第一導(dǎo)流筒的另一端與第二導(dǎo)流筒的另一端在波紋管內(nèi)部同軸間隙套合。通過該對相向延伸的導(dǎo)流筒即可實現(xiàn)介質(zhì)在其中的雙向流動。

2.2 兩層材料

2.2.1 理論計算

剛度大小是衡量波紋管性能好壞的參數(shù)之一，新型管道補(bǔ)償器采用兩層材料一次液壓成型的波紋管坯，根據(jù)《金屬波紋管膨脹節(jié)技術(shù)通用條件》(GB/T 12777—2008)，單波軸向彈性剛度計算公式：

式中：fit——波紋管單波軸向弾性剛度(下標(biāo)t表示Ω形波紋管)，N/mm；

Dm——波紋管平均直徑，mm；

Ebt——室溫下的彈性模量(下標(biāo)b表示波紋，上標(biāo)t表示設(shè)計溫度)，MPa；

δm——波紋管成型后一層材料的名義厚度，mm；

n——厚度為δ波紋管材料的層數(shù)；

B3——Ω形波紋管fit的計算修正系數(shù)；

r——Ω形波紋管的平均半徑，mm。

可得出，對相同口徑、相同壁厚、相同波形的波紋管，雙層材料的波紋管彈性剛度大于單層波紋管彈性剛度。

2.2.2 試驗數(shù)據(jù)

表1為某波紋管生產(chǎn)商提供的波紋管管坯層數(shù)與疲勞壽命計算的試驗數(shù)據(jù)，其中波紋管的疲勞壽命，是指在工況條件下，波紋管能正常工作的最小循環(huán)次數(shù)。試驗中選用四波波紋管，分別由單層管坯和雙層管坯制作，管坯采用的材料均為 304。試驗壓力為1.0MPa，溫度為100℃，未涉及其它附加載荷對膨脹節(jié)的作用。該試驗數(shù)據(jù)計算軟件按美國膨脹節(jié)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)EJMA—2008版編制的。計算的結(jié)果表明，對于同一公稱直徑，雙層管坯波紋管的疲勞壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單層管坯波紋管。

表1 波紋管管坯層數(shù)與計算壽命的關(guān)系

因此，新型的管道補(bǔ)償器具有更高的疲勞壽命，能夠提升管道安全運行系數(shù)。

2.3 限位裝置

為了防止補(bǔ)償器軸向伸縮過度以保證其在最大補(bǔ)償量限值范圍內(nèi)伸縮，新型補(bǔ)償器設(shè)置了限位指示裝置。如圖2所示，限位裝置包括一帶有兩塊限位板的不銹鋼拉桿，拉桿的一端固定在一側(cè)法蘭的拉桿安裝耳板上，其另一端穿過另一側(cè)法蘭的拉桿安裝耳板延伸。其中，兩塊限位板分別位于法蘭上的拉桿安裝耳板兩側(cè)，用以限制補(bǔ)償器的最大伸縮位移。拉桿的外壁上設(shè)有連續(xù)的尺寸刻度，便于管道巡檢時查看補(bǔ)償器的軸向伸縮量大小。補(bǔ)償器增設(shè)了限位裝置，因而能夠防止補(bǔ)償器軸向伸縮過度，保證其在最大補(bǔ)償量限值范圍內(nèi)伸縮，從而杜絕了安全隱患，為安全提供了技術(shù)保障。

3 基本參數(shù)

我公司技術(shù)部門研發(fā)設(shè)計的該新型管道補(bǔ)償器，由第三方檢測機(jī)構(gòu)依據(jù)《金屬波紋管膨脹節(jié)技術(shù)通用條件》(GB/T 12777—2008)的要求進(jìn)行 1.5 MPa的水壓試驗和1.0 MPa的氣密性試驗，檢驗結(jié)果合格。并且該產(chǎn)品獲得了國家新型實用專利(專利號ZL 2016 2 0405223.0)。表2為常用的6波補(bǔ)償器不同公稱直徑對應(yīng)的補(bǔ)償量等基本參數(shù)。

表2 新型管道補(bǔ)償器的基本參數(shù)

4 應(yīng)用情況

新型管道補(bǔ)償器具有滿足比較大的軸向伸縮量的位移補(bǔ)償性能，因此在新建管道系統(tǒng)中可以減少相應(yīng)的安裝量；對于相同口徑相同波數(shù)(一般都采用6波)，新型補(bǔ)償器與原補(bǔ)償器安裝尺寸相同，因此可用于老舊補(bǔ)償器的更新工程。

沈莊塘河跨度為50 m，以橋管形式穿越河道，采用Q235B鋼質(zhì)管道，口徑為DN300，設(shè)計選用6波的新型管道補(bǔ)償器1個。安裝前首先按照預(yù)拉伸(壓縮)公式計算值對補(bǔ)償器進(jìn)行預(yù)調(diào)，由管道熱伸量的計算公式為：

式中：△L——管道的熱伸量，mm；

α——管材線膨脹系數(shù)，碳素鋼膨線脹系數(shù)取 0.012mm/(m·℃)；

L——計算管段的長度，m；t2——管道運行時溫度，℃；t1——管道的初始溫度，℃；

可知新型管道補(bǔ)償器安裝前預(yù)調(diào)量公式為：

式中：△L’——補(bǔ)償器預(yù)調(diào)量，mm；

α——管材線膨脹系數(shù)，取0.012 mm/(m·℃)；

T0——安裝地年氣溫平均值，上海取20 ℃；

T1——管道安裝時環(huán)境溫度，℃。

如計算值為正時，則應(yīng)對補(bǔ)償器預(yù)拉升；計算值為負(fù)時，則對補(bǔ)償器預(yù)壓縮。

該補(bǔ)償器安裝時環(huán)境溫度為40 ℃，利用上述公式計算出△L’=-12 mm。因此，在安裝前需對補(bǔ)償器進(jìn)行預(yù)壓縮。補(bǔ)償器自然狀態(tài)時(壓縮前)兩端法蘭面間距為460 mm，經(jīng)過壓縮后為448 mm，然后再進(jìn)行管道與補(bǔ)償器的連接。安裝完畢后，所有拉桿上的吊裝螺栓應(yīng)全部處于松開狀態(tài)。

自 2016年下半年開始，我公司開始推廣使用該新型管道補(bǔ)償器，經(jīng)過一年多的工程實踐，安裝和運行情況良好，尤其對我公司的管線日常巡檢工作，發(fā)揮了重要的作用。原有的補(bǔ)償器在運行中產(chǎn)生的變形尺寸，巡檢人員只能憑目測，即使近距離也很難判斷是否在其允許伸縮范圍內(nèi)，新型管道補(bǔ)償器由于加裝了限位裝置，并有醒目的標(biāo)尺，巡檢人員對其變形尺寸一目了然，從而可以及時燃?xì)夤艿腊踩[患，提高管網(wǎng)安全運行系數(shù)。

5 結(jié)語

綜上所述，該種管道補(bǔ)償器具有滿足軸向伸縮量大的位移補(bǔ)償性能，可以實現(xiàn)介質(zhì)在其中的雙向流動，能夠防止補(bǔ)償器軸向伸縮過度。該種管道補(bǔ)償器提高了所補(bǔ)償管道系統(tǒng)的使用效率，進(jìn)而節(jié)約成本；保證了其在最大補(bǔ)償量限值范圍內(nèi)安全伸縮，能夠讓燃?xì)夤竟芫€巡檢人員在日常巡視工作中快速、準(zhǔn)確地判斷橋管拉伸量，從而及時發(fā)現(xiàn)燃?xì)夤艿腊踩[患，提高管網(wǎng)安全運行系數(shù)。