熱力管道的補償設(shè)計及典型問題分析

1、收稿日期:2004208209作者簡介: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)計及施工管理工作。文章編號:100027466(20050120038203熱力管道的補償設(shè)計及典型問題分析董同武(荊門煉化工程設(shè)計有限公司,湖北荊門448039摘要:簡要論述了管道熱補償?shù)幕驹?強調(diào)了在補償設(shè)計中應(yīng)注意的問題,并對近幾年來一些工程項目中出現(xiàn)的典型問題進行了分析說明。關(guān)鍵詞:管道;補償設(shè)計;熱應(yīng)力;支架中圖分類號:T Q 055.8文獻標識碼: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)生的作用力將通過管道系統(tǒng)傳遞到固定支架和相關(guān)連的設(shè)備上,對設(shè)備以及管道的安全運行構(gòu)成一定的威脅。充分認識管道推力產(chǎn)生的機理,對設(shè)計、施工及管道管理的各級人員都是相當重要的。文中結(jié)合近年來有關(guān)管道工程中出現(xiàn)的一些事故進行了分析說明,以引起相關(guān)人員的重視。1熱應(yīng)力與補償111

4、熱應(yīng)力若管線兩端不固定,允許其自由變形,則熱伸長對管子的強度沒有什么影響。但在管線兩端都固定的情況下,管子不能自由伸長,由于工作溫度的影響迫使它產(chǎn)生熱伸長時,在管子內(nèi)部就會產(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 為管線安裝時的長度,m ;t 為工作溫度與安裝溫度之間的差值,。對于兩端固定的直管,其熱膨脹必須予以吸收(補償,否則熱應(yīng)力對固定點的推力將使管線、固定點、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,單位長度的 219mm ×6mm 的20無縫鋼管,

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)力已遠超出許用應(yīng)力值。此時,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計算,此時作用到固定點的推力F =A =1.65×106N 。如此大的推力是任何設(shè)備或者支架都無法承受的。112管道熱補償為了吸收和消除管道所產(chǎn)生的熱應(yīng)力,在配管設(shè)計中,必須考慮管道的熱補償,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吸收熱膨脹,必須通過計算進行判定,一般采用ANSI 提供的公式進第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長度,r為管系在兩固定點之間的直線距離,m。如果滿足上述判斷式,則說明管系具有足夠的彈性,熱膨脹導(dǎo)致的端點位移所產(chǎn)生的熱應(yīng)力在許

7、可范圍之內(nèi),可不再進行詳細的應(yīng)力計算。精確的管道應(yīng)力計算是相當繁瑣和復(fù)雜的,必須借助于一些專用的計算軟件,目前常用的有C ASE AR管道應(yīng)力分析程序。熱力管道補償設(shè)計的核心是管道的應(yīng)力分析計算,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)力分析計算軟件進行應(yīng)力計算時的一般步驟為:以固定支架或設(shè)備劃定需要計算的管道系統(tǒng)。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、介質(zhì)特性以及所需的管件、支架和吊架形式及其位置等。需要說明的是管系的法蘭壓力等級除了應(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。有時計算結(jié)果要求的工藝管道法蘭的壓力等級會遠高于設(shè)備本體結(jié)構(gòu)法蘭的壓力等級,最后應(yīng)

8、由應(yīng)力分析計算結(jié)果來確定。此時需要調(diào)整管道走向,改變補償結(jié)構(gòu)或者改變支架、吊架的形式和位置以滿足管系應(yīng)力計算結(jié)果合格。2管道應(yīng)力分析程序計算中需注意的幾個問題理論上熱力管道的補償設(shè)計過程和方法都是比較簡單和清晰的,但實際的配管設(shè)計仍然是相當復(fù)雜的。一個完善的管道系統(tǒng)設(shè)計仍然需要設(shè)計人員具有相當?shù)睦碚摵蛯嶋H工作經(jīng)驗。筆者根據(jù)近年來工程實際中頻繁出現(xiàn)的一些事故,提出了在熱補償設(shè)計方面應(yīng)引起注意的幾個問題。211支架的設(shè)置在管系設(shè)計中應(yīng)避免選用多個波形(或承插補償器,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,配管設(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

9、,最后確定承重和導(dǎo)向支架。選用補償器的前提應(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)分割成簡單的、可以獨立膨脹的管段。由于熱伸長是不可消除的,而固定支架的作用在于限制和控制其位移量,因此,熱補償通過安裝在2個固定支架之間的補償器來吸收。任何情況下都不要在管段的2個固定支架之間安裝多個單式膨脹節(jié)2,3。212管道膨脹節(jié)的應(yīng)用管道膨脹節(jié)作為專用的補償元件,在應(yīng)用時必須考慮內(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償器的內(nèi)壓推力,可按F=p A=0.785pD i2計算。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。如某輸運管道直徑為 1450mm,其管內(nèi)壓力為010981MPa,波紋管中徑為 1500mm,根據(jù)計算其內(nèi)壓推力F=173269N。這對管道支架或設(shè)備元件都將構(gòu)成很大威脅。可見,在大直徑管道上使用波形膨脹節(jié)時,內(nèi)壓推力和波紋管變形力(軸向彈力會很大。為此,必須仔細考慮以下問題:對設(shè)備或支架的推力是否允許。對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)仔細地進行強度核算,其中鉸鏈板和銷軸的計算可用常規(guī)方法,而平衡環(huán)的

11、計算則必須按曲梁理論,或按照有關(guān)標準規(guī)范進行設(shè)計計算4。某熱電廠蒸汽管道的壓力平衡型補償器因附屬部件未作強度核算,導(dǎo)致補償器爆破、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)濟損失5。213內(nèi)壓流體對彎管的作用力在管線的末端、拐彎處、分支點以及裝有閥門的地方,管道內(nèi)流動的流體會對管道產(chǎn)生壓力推力以及離心力。這種作用力會通過管道傳遞到相應(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°彎管的受力見圖1,圖1中的受力計算如下:F=F x2+F y2F x=p1A1+q V v1F y=p2A2+q V v2式中

12、,F x為流體對彎管在x方向的分力,F y為流體對彎管在y方向的分力,F為流體對彎管作用力, 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:熱力管道的補償設(shè)計及典型問題分析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90°彎頭,在第1次放空時突然斷裂,DN350mm 的彎管飛出導(dǎo)致發(fā)生了一人當場死亡、裝置緊急停工的重大惡性事故。事故的直接原因是由于沒有考慮放空時流體對90°彎頭產(chǎn)生的作用力,由于現(xiàn)場支架只能滿足

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)壓流體對彎管的作用力圖2 揮發(fā)線熱補償結(jié)構(gòu)示圖圖3管系固定點的設(shè)置示圖214長拉桿復(fù)式膨脹節(jié)的支撐對長拉桿復(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組波在高溫時產(chǎn)生嚴重不均勻變形。中間管段可支撐在拉桿上,也可用彈簧支(吊架專門支撐。某煉油廠煙機入口管道的長拉桿復(fù)式膨脹節(jié),由于未采取支撐措施,使用很短時間后就失效了6。215管系自補償設(shè)計時應(yīng)注意的問題某常壓塔揮發(fā)線管道熱補償結(jié)構(gòu)見圖27,規(guī)格為 377mm

14、×10mm ,此管道在正常操作時,由于各處溫度一致,管系本身的彈性是滿足要求的。但是,在開工時,由于塔體溫度與揮發(fā)線溫度不一致,上部支承點A 阻礙了管道向下的彈性變形,整個管系的彈性被破壞,致使下部彎頭焊縫處2次開裂。可見此揮發(fā)線熱補償結(jié)構(gòu)是失敗的。原因就在于對多種工藝狀況考慮不周。因此,彈性自補償設(shè)計需要綜合考慮各個方面的因素1,8。又如圖3所示的情況,在圖3a 中,將固定點上移則可取消“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、端點位移以及設(shè)備的不均勻沉降。若管段質(zhì)量很大時,應(yīng)在L 范圍內(nèi)裝設(shè)彈簧支(吊架支撐。3結(jié)語由于管道熱力補償設(shè)計不合理或是施工不當,都會嚴重影響到整個裝置的正常安全生產(chǎn),因此,管道的施工安裝也必須嚴格遵循有關(guān)標準,并且予以實施。文中所述是筆者在工程中遇到的容易被忽視的問題,希望能引起同行們的重視。參考文獻:1張德姜,王懷義,劉紹葉.石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計手冊(第一篇M.北京:中國石化出版社,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 .化工煉油機械通訊,1977,6(2:512684于濟民.平衡環(huán)膨脹節(jié)的平衡環(huán)計算J .石