熱力管道的補(bǔ)償設(shè)計(jì)及典型問(wèn)題分析

1、收稿日期:2004208209作者簡(jiǎn)介:董同武(19682,男(漢族,湖北監(jiān)利人,工程師,學(xué)士,從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)及施工管理工作。文章編號(hào):100027466(20050120038203熱力管道的補(bǔ)償設(shè)計(jì)及典型問(wèn)題分析董同武(荊門煉化工程設(shè)計(jì)有限公司,湖北荊門448039摘要:簡(jiǎn)要論述了管道熱補(bǔ)償?shù)幕驹?強(qiáng)調(diào)了在補(bǔ)償設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題,并對(duì)近幾年來(lái)一些工程項(xiàng)目中出現(xiàn)的典型問(wèn)題進(jìn)行了分析說(shuō)明。關(guān)鍵詞:管道;補(bǔ)償設(shè)計(jì);熱應(yīng)力;支架中圖分類號(hào):T Q 055.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:BCompensating design and typical problems analysis on therm al

2、 pipe linesDONG T ong 2wu(Jingmen Refinery and Chemical Engineering Design C o.Ltd.,Jingmen 448039,China Abstract :The basic principle of therm odynamic compensating was introduced ,and proper lay out and pipe support was recom 2mended ,at the same time ,s ome typical problems occurred in engineerin

3、g in recent years were analyzed and explained.K ey w ords :pipe ;compensating design ;thermal stresses ;bracket熱脹冷縮是自然界的基本規(guī)律。在管道設(shè)計(jì)中,必須考慮管道的熱脹或者冷縮,并且應(yīng)該采取相應(yīng)的措施,否則,由此產(chǎn)生的作用力將通過(guò)管道系統(tǒng)傳遞到固定支架和相關(guān)連的設(shè)備上,對(duì)設(shè)備以及管道的安全運(yùn)行構(gòu)成一定的威脅。充分認(rèn)識(shí)管道推力產(chǎn)生的機(jī)理,對(duì)設(shè)計(jì)、施工及管道管理的各級(jí)人員都是相當(dāng)重要的。文中結(jié)合近年來(lái)有關(guān)管道工程中出現(xiàn)的一些事故進(jìn)行了分析說(shuō)明,以引起相關(guān)人員的重視。1熱應(yīng)力與補(bǔ)償111

4、熱應(yīng)力若管線兩端不固定,允許其自由變形,則熱伸長(zhǎng)對(duì)管子的強(qiáng)度沒(méi)有什么影響。但在管線兩端都固定的情況下,管子不能自由伸長(zhǎng),由于工作溫度的影響迫使它產(chǎn)生熱伸長(zhǎng)時(shí),在管子內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生附加的熱應(yīng)力,根據(jù)虎克定律:=E =E l t/l =E t 式中,E 為管線材料的彈性模量,MPa ;為管線材料的應(yīng)變;為管線材料的線膨脹系數(shù),1/;l 為管線安裝時(shí)的長(zhǎng)度,m ;t 為工作溫度與安裝溫度之間的差值,。對(duì)于兩端固定的直管,其熱膨脹必須予以吸收(補(bǔ)償,否則熱應(yīng)力對(duì)固定點(diǎn)的推力將使管線、固定點(diǎn)、設(shè)備以及接管的相關(guān)部分受到破壞。在工作溫度為200時(shí),單位長(zhǎng)度的 219mm ×6mm 的20無(wú)縫鋼管,

5、在直段兩端固定情況下,根據(jù)虎克定律可知管子的應(yīng)力附加值=412MPa >120MPa 。120MPa 為20鋼管在200的許用應(yīng)力值。由此可以看出,管子附加熱應(yīng)力已遠(yuǎn)超出許用應(yīng)力值。此時(shí),管道已經(jīng)產(chǎn)生屈服并且處于不安全狀態(tài)。按 219mm ×6mm 管子截面積A =4.01×103mm 2計(jì)算,此時(shí)作用到固定點(diǎn)的推力F =A =1.65×106N 。如此大的推力是任何設(shè)備或者支架都無(wú)法承受的。112管道熱補(bǔ)償為了吸收和消除管道所產(chǎn)生的熱應(yīng)力,在配管設(shè)計(jì)中,必須考慮管道的熱補(bǔ)償,從而使管道具有足夠的彈性,以滿足設(shè)備或支架的受力要求。管道的彈性指的是管道在力的作

6、用下出現(xiàn)彈性變形,當(dāng)力停止以后又恢復(fù)到原狀的能力。在一定的變形下所需的力越小,則管道的彈性就越大。特定的管道系統(tǒng)是否能夠依靠自身的彈性變形來(lái)吸收熱膨脹,必須通過(guò)計(jì)算進(jìn)行判定,一般采用ANSI 提供的公式進(jìn)第34卷第1期2005年1月石油化工設(shè)備PETRO 2CHE MIC A L E QUIP ME NT V ol 134N o 11Jan 12005行核算1:D N(L-r221083式中,D N為管道的公稱直徑,為管系總變形量, cm;L為管系在兩固定端之間的展開(kāi)長(zhǎng)度,r為管系在兩固定點(diǎn)之間的直線距離,m。如果滿足上述判斷式,則說(shuō)明管系具有足夠的彈性,熱膨脹導(dǎo)致的端點(diǎn)位移所產(chǎn)生的熱應(yīng)力在許

7、可范圍之內(nèi),可不再進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力計(jì)算。精確的管道應(yīng)力計(jì)算是相當(dāng)繁瑣和復(fù)雜的,必須借助于一些專用的計(jì)算軟件,目前常用的有C ASE AR管道應(yīng)力分析程序。熱力管道補(bǔ)償設(shè)計(jì)的核心是管道的應(yīng)力分析計(jì)算,其它內(nèi)容還有管道的走向布置及支架和吊架的設(shè)置等。采用應(yīng)力分析計(jì)算軟件進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)的一般步驟為:以固定支架或設(shè)備劃定需要計(jì)算的管道系統(tǒng)。輸入管系的各項(xiàng)計(jì)算參數(shù),如設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、管徑、介質(zhì)特性以及所需的管件、支架和吊架形式及其位置等。需要說(shuō)明的是管系的法蘭壓力等級(jí)除了應(yīng)滿足工作介質(zhì)的要求外,還更應(yīng)滿足管道的受力要求。有時(shí)計(jì)算結(jié)果要求的工藝管道法蘭的壓力等級(jí)會(huì)遠(yuǎn)高于設(shè)備本體結(jié)構(gòu)法蘭的壓力等級(jí),最后應(yīng)

8、由應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果來(lái)確定。此時(shí)需要調(diào)整管道走向,改變補(bǔ)償結(jié)構(gòu)或者改變支架、吊架的形式和位置以滿足管系應(yīng)力計(jì)算結(jié)果合格。2管道應(yīng)力分析程序計(jì)算中需注意的幾個(gè)問(wèn)題理論上熱力管道的補(bǔ)償設(shè)計(jì)過(guò)程和方法都是比較簡(jiǎn)單和清晰的,但實(shí)際的配管設(shè)計(jì)仍然是相當(dāng)復(fù)雜的。一個(gè)完善的管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍然需要設(shè)計(jì)人員具有相當(dāng)?shù)睦碚摵蛯?shí)際工作經(jīng)驗(yàn)。筆者根據(jù)近年來(lái)工程實(shí)際中頻繁出現(xiàn)的一些事故,提出了在熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)方面應(yīng)引起注意的幾個(gè)問(wèn)題。211支架的設(shè)置在管系設(shè)計(jì)中應(yīng)避免選用多個(gè)波形(或承插補(bǔ)償器,除了兩端設(shè)備外,中間支架應(yīng)全為滑動(dòng)管托。為避免選用多個(gè)補(bǔ)償器,配管設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先簡(jiǎn)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

9、,最后確定承重和導(dǎo)向支架。選用補(bǔ)償器的前提應(yīng)是初步設(shè)定管道固定支架的位置,其目的是由固定支架將管道系統(tǒng)分割成簡(jiǎn)單的、可以獨(dú)立膨脹的管段。由于熱伸長(zhǎng)是不可消除的,而固定支架的作用在于限制和控制其位移量,因此,熱補(bǔ)償通過(guò)安裝在2個(gè)固定支架之間的補(bǔ)償器來(lái)吸收。任何情況下都不要在管段的2個(gè)固定支架之間安裝多個(gè)單式膨脹節(jié)2,3。212管道膨脹節(jié)的應(yīng)用管道膨脹節(jié)作為專用的補(bǔ)償元件,在應(yīng)用時(shí)必須考慮內(nèi)壓推力和波紋管的軸向彈力。內(nèi)壓作用在波紋管壁上產(chǎn)生的反作用力稱為波紋補(bǔ)償器的內(nèi)壓推力,可按F=p A=0.785pD i2計(jì)算。式中,F為內(nèi)壓推力,N;p為管道內(nèi)壓力,MPa; A為膨脹節(jié)的有效面積,mm2;D

10、 i為波紋管中徑, mm。內(nèi)壓推力可沿波紋管壁傳到固定支架上,使支架承受相應(yīng)的推力。為了使固定支架免受巨大的推力,可用連桿、鉸鏈或平衡環(huán)將膨脹節(jié)的兩端連接起來(lái)。如某輸運(yùn)管道直徑為 1450mm,其管內(nèi)壓力為010981MPa,波紋管中徑為 1500mm,根據(jù)計(jì)算其內(nèi)壓推力F=173269N。這對(duì)管道支架或設(shè)備元件都將構(gòu)成很大威脅。可見(jiàn),在大直徑管道上使用波形膨脹節(jié)時(shí),內(nèi)壓推力和波紋管變形力(軸向彈力會(huì)很大。為此,必須仔細(xì)考慮以下問(wèn)題:對(duì)設(shè)備或支架的推力是否允許。對(duì)壓力平衡型或鉸鏈型膨脹節(jié),所有附屬部件,如鉸鏈板、銷軸和平衡環(huán)都應(yīng)仔細(xì)地進(jìn)行強(qiáng)度核算,其中鉸鏈板和銷軸的計(jì)算可用常規(guī)方法,而平衡環(huán)的

11、計(jì)算則必須按曲梁理論,或按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算4。某熱電廠蒸汽管道的壓力平衡型補(bǔ)償器因附屬部件未作強(qiáng)度核算,導(dǎo)致補(bǔ)償器爆破、管線斷裂和固定支架損壞的重大工程事故發(fā)生,造成了巨大的直接經(jīng)濟(jì)損失5。213內(nèi)壓流體對(duì)彎管的作用力在管線的末端、拐彎處、分支點(diǎn)以及裝有閥門的地方,管道內(nèi)流動(dòng)的流體會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生壓力推力以及離心力。這種作用力會(huì)通過(guò)管道傳遞到相應(yīng)的固定支架上,因此,管道的固定支架以及與其相連的結(jié)構(gòu)都必須能承受作用在它們上面的所有的力。內(nèi)壓流體作用下90°彎管的受力見(jiàn)圖1,圖1中的受力計(jì)算如下:F=F x2+F y2F x=p1A1+q V v1F y=p2A2+q V v2式中

12、,F x為流體對(duì)彎管在x方向的分力,F y為流體對(duì)彎管在y方向的分力,F為流體對(duì)彎管作用力, N;p1和p2為管道內(nèi)流體壓力,MPa;A1和A2為管道有效截面積,m2;為流體密度,kg/m3;q V為通過(guò)管段的體積流量,m3/s;v1和v2為流體速度,m/s。93第1期董同武:熱力管道的補(bǔ)償設(shè)計(jì)及典型問(wèn)題分析2004年某廠新建的CF B 鍋爐裝置的一段抽汽管道放空線的出口處為1個(gè)90°彎頭,在第1次放空時(shí)突然斷裂,DN350mm 的彎管飛出導(dǎo)致發(fā)生了一人當(dāng)場(chǎng)死亡、裝置緊急停工的重大惡性事故。事故的直接原因是由于沒(méi)有考慮放空時(shí)流體對(duì)90°彎頭產(chǎn)生的作用力,由于現(xiàn)場(chǎng)支架只能滿足

13、介質(zhì)豎直向上排放的減震和受力要求,因此,由介質(zhì)產(chǎn)生的巨大內(nèi)壓推力及離心力導(dǎo)致了DN350mm 管段從根部斷裂后飛出 。圖1 內(nèi)壓流體對(duì)彎管的作用力圖2 揮發(fā)線熱補(bǔ)償結(jié)構(gòu)示圖圖3管系固定點(diǎn)的設(shè)置示圖214長(zhǎng)拉桿復(fù)式膨脹節(jié)的支撐對(duì)長(zhǎng)拉桿復(fù)式膨脹節(jié)中間管段應(yīng)采取支撐措施。否則,由于中間管段重力(包括附件和保溫材料的作用,將使復(fù)式膨脹節(jié)上、下2組波在高溫時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重不均勻變形。中間管段可支撐在拉桿上,也可用彈簧支(吊架專門支撐。某煉油廠煙機(jī)入口管道的長(zhǎng)拉桿復(fù)式膨脹節(jié),由于未采取支撐措施,使用很短時(shí)間后就失效了6。215管系自補(bǔ)償設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題某常壓塔揮發(fā)線管道熱補(bǔ)償結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖27,規(guī)格為 377mm

14、×10mm ,此管道在正常操作時(shí),由于各處溫度一致,管系本身的彈性是滿足要求的。但是,在開(kāi)工時(shí),由于塔體溫度與揮發(fā)線溫度不一致,上部支承點(diǎn)A 阻礙了管道向下的彈性變形,整個(gè)管系的彈性被破壞,致使下部彎頭焊縫處2次開(kāi)裂?？梢?jiàn)此揮發(fā)線熱補(bǔ)償結(jié)構(gòu)是失敗的。原因就在于對(duì)多種工藝狀況考慮不周。因此,彈性自補(bǔ)償設(shè)計(jì)需要綜合考慮各個(gè)方面的因素1,8。又如圖3所示的情況,在圖3a 中,將固定點(diǎn)上移則可取消“象鼻彎”,如圖3b 所示;在圖3c 中L 的設(shè)置應(yīng)能吸收豎管的熱脹、端點(diǎn)位移以及設(shè)備的不均勻沉降。若管段質(zhì)量很大時(shí),應(yīng)在L 范圍內(nèi)裝設(shè)彈簧支(吊架支撐。3結(jié)語(yǔ)由于管道熱力補(bǔ)償設(shè)計(jì)不合理或是施工不當(dāng),都會(huì)嚴(yán)重影響到整個(gè)裝置的正常安全生產(chǎn),因此,管道的施工安裝也必須嚴(yán)格遵循有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),并且予以實(shí)施。文中所述是筆者在工程中遇到的容易被忽視的問(wèn)題,希望能引起同行們的重視。參考文獻(xiàn):1張德姜,王懷義,劉紹葉.石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)(第一篇M.北京:中國(guó)石化出版社,1994.2章忻.膨脹節(jié)在管道上的應(yīng)用J .石油化工設(shè)備技術(shù),1998,19(6:12213.3黎廷新.膨脹節(jié)J .化工煉油機(jī)械通訊,1977,6(2:512684于濟(jì)民.平衡環(huán)膨脹節(jié)的平衡環(huán)計(jì)算J .石