郭曉瑩 王慶 翟俊紅(中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司,山東 濟(jì)南 250010)
化工管道設(shè)計(jì)中的自然補(bǔ)償法研究
郭曉瑩 王慶 翟俊紅(中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司,山東 濟(jì)南 250010)
自然補(bǔ)償法是化工管道設(shè)計(jì)中常用的思想,其對(duì)于提高管道系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性具有重要意義。本文將在介紹自然補(bǔ)償法內(nèi)涵及計(jì)算方法的基礎(chǔ)上,分析提高自然補(bǔ)償法效果的若干方法。
化工管道;自然補(bǔ)償法;研究
化工管道在運(yùn)行過(guò)程中,出現(xiàn)熱脹和端點(diǎn)位移現(xiàn)象在所難免,其對(duì)管道本身的耐久度不會(huì)產(chǎn)生較大影響但是熱脹引起的溫度應(yīng)力可能會(huì)威脅管道系統(tǒng)的穩(wěn)定性,如不加以控制將會(huì)對(duì)管道的正常運(yùn)行造成影響,引起相連接設(shè)備故障甚至造成嚴(yán)重的安全事故。現(xiàn)階段在管道設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)人員常常利用自然補(bǔ)償法消除管道熱脹和端點(diǎn)位移造成的不利影響,提高管道系統(tǒng)穩(wěn)定性。
在化工生產(chǎn)中,管道往往受到一定的約束和支撐,當(dāng)溫度變化時(shí),管道會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力,附加到對(duì)他產(chǎn)生約束作用的結(jié)構(gòu)上,對(duì)支撐構(gòu)件、相連設(shè)備產(chǎn)生連鎖影響,這一影響輕則導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形,重則誘發(fā)安全事故,因此有必要提高管道的柔性,消除溫度應(yīng)力的不利影響。
除優(yōu)化管道布置設(shè)計(jì)方案外,設(shè)計(jì)人員還可以通過(guò)引入自然補(bǔ)償思想,實(shí)現(xiàn)溫度應(yīng)力的自我消化。當(dāng)前常用的補(bǔ)償設(shè)計(jì)有安裝補(bǔ)償器或自然補(bǔ)償兩種方式,其中,自然補(bǔ)償法指利用管道自然彎曲形狀(或設(shè)計(jì)成L或Z管道)所具有的柔性,補(bǔ)償其管道自身的熱脹和端點(diǎn)的位移的方式。由于自然補(bǔ)償法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、成本低的優(yōu)勢(shì),因此在化工管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用更為廣泛。
化工管道的自然補(bǔ)償有L型、Z型、空間自然補(bǔ)償三種方式,當(dāng)溫度變化時(shí),管道彎曲部分的塑性變形及彈性變形實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的自然補(bǔ)償,其中熱力管道的伸長(zhǎng)量計(jì)算公式如下:
其中:
A——管道在相應(yīng)溫度范圍內(nèi)的線脹系數(shù)mm∕m℃;
T1——管道安裝溫度℃;
T2——管道設(shè)計(jì)使用溫度℃
L——管道長(zhǎng)度m。
在自然補(bǔ)償法,各種補(bǔ)償方式的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于臂長(zhǎng)的計(jì)算。以下為L(zhǎng)型自然補(bǔ)償、Z型自然補(bǔ)償臂長(zhǎng)的計(jì)算方法以及空間自然補(bǔ)償?shù)尿?yàn)算方法。
2.1 L型自然補(bǔ)償臂長(zhǎng)計(jì)算方法
L型自然補(bǔ)償法中直角彎斷臂長(zhǎng)的計(jì)算公式如下:
其中:
l——L型自然補(bǔ)償短臂長(zhǎng)度m;
△L——長(zhǎng)臂L的熱伸縮量mm;
DW——管道外徑mm。
2.2 Z型自然補(bǔ)償臂長(zhǎng)計(jì)算方法
Z型自然補(bǔ)償法是另一種常用的化工管道自然補(bǔ)償法,其具有兩個(gè)彎頭形成轉(zhuǎn)彎。在Z型自然補(bǔ)償法中,自然補(bǔ)償短臂的計(jì)算公式如下:
其中:
l——Z型自然補(bǔ)償短臂長(zhǎng)度m;
△L——(L1+L2)的熱伸縮量mm;
DW——管道外徑mm;
E——管道材料的彈性模量MPa;
[sbw]——管道彎曲應(yīng)力MPa;
n——等于(L1+L2)∕L,且L1<L2。
Z型自然補(bǔ)償形式下的管道在受到溫度變化影響時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)方向的位移和推力,垂直臂變形產(chǎn)生的應(yīng)力由水平臂的變形來(lái)補(bǔ)償,垂直臂越長(zhǎng)、水平臂越長(zhǎng)則自然補(bǔ)償能力越強(qiáng)。
2.3 空間自然補(bǔ)償管段的近似驗(yàn)算
空間自然補(bǔ)償管段設(shè)計(jì)中需要驗(yàn)算補(bǔ)償能力是否滿足要求,常用的判斷公式如下所示:
其中:
DN——管道公稱通徑mm;
△L——管道三個(gè)方向熱伸長(zhǎng)量的向量和cm;
L——管道展開總長(zhǎng)度m;
U——管道兩端固定點(diǎn)之間的直線距離m。
需要注意的是,此式需要在特定的條件下才能使用:首先屬于一根管道且管徑管材沒(méi)有發(fā)生變化;其次管道的兩段是固定點(diǎn);再次管道重點(diǎn)沒(méi)有支吊架;最后管道沒(méi)有分管。
3.1 提高管道柔性
管道柔性同管道在面對(duì)溫度變化時(shí)所產(chǎn)生溫度應(yīng)力的大小有關(guān),柔性大的管道溫度應(yīng)力影響小,柔性大的管道溫度應(yīng)力影響大,因此提高管道柔性是改善管道系統(tǒng)性能的關(guān)鍵工作,而自然補(bǔ)償法設(shè)計(jì)的核心就是通過(guò)增加管道彎曲度來(lái)提高管道的柔性。另外,在平面管道系統(tǒng)中,設(shè)計(jì)人員也可以通過(guò)使用沒(méi)有熱膨脹或熱膨脹系數(shù)小的管道來(lái)增加系統(tǒng)的柔性。
3.2 優(yōu)化布置
優(yōu)化管道系統(tǒng)的布置條件也能夠達(dá)到增強(qiáng)自然補(bǔ)償效果的目的。在熱應(yīng)力較大的區(qū)域可以通過(guò)安裝彈性支架或框架方式吸收溫度應(yīng)力,實(shí)現(xiàn)減少管道形變或位移的效果。另外,當(dāng)管線沒(méi)有發(fā)生較大位移時(shí),為了減少管線變形量,長(zhǎng)距離管道需要借助固定點(diǎn)將其分解為獨(dú)立形狀管線系統(tǒng),安裝固定點(diǎn)的位置主要為需要承受管道振動(dòng)、荷載的部位以及需要控制管道位置的關(guān)鍵位置。
3.3 設(shè)備布置
設(shè)備布置也是提高管道自然補(bǔ)償法效果的主要方法之一。當(dāng)常規(guī)的補(bǔ)償方法沒(méi)有很好的削弱溫度應(yīng)力對(duì)管道系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性的不利影響時(shí),設(shè)計(jì)人員需要從管道設(shè)備布置方面入手,優(yōu)化調(diào)整設(shè)備位置,規(guī)避管線應(yīng)力超限問(wèn)題,盡可能一次性實(shí)現(xiàn)管道熱應(yīng)力的自補(bǔ)償。
總的來(lái)講,管道是化工企業(yè)主要的基礎(chǔ)設(shè)施之一,對(duì)于保證生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)的安全性具有十分重要的意義。為減少管道運(yùn)行過(guò)程中溫度應(yīng)力對(duì)系統(tǒng)的不利影響,管道設(shè)計(jì)中需要引入自然補(bǔ)償法的思想,借助于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)調(diào)整,實(shí)現(xiàn)管道柔性的提高,分散溫度應(yīng)力,提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,保護(hù)管線和設(shè)備安全。
[1]吳小琴.化工管道設(shè)計(jì)中的自然補(bǔ)償法研究[J].化工管理,2016,(21):88.
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