管道柔性設(shè)計(jì)

趙麗娟

摘 要：管道柔性設(shè)計(jì)是保證管道在使用過(guò)程中有足夠的柔性，從而確保生產(chǎn)裝置的安全平穩(wěn)的運(yùn)行。文章簡(jiǎn)單介紹了管道柔性設(shè)計(jì)的目的以及提高管道柔性的一般方法，并通過(guò)具體的例子對(duì)提高管道柔性的方法進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：管道柔性；自然補(bǔ)償；波紋管膨脹節(jié)；可變彈簧支吊架

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ055.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）28-0079-02

Abstract： Pipeline flexible design is to ensure that the pipeline has enough flexibility in the process of use， so as to ensure the safe and stable operation of the production device. This paper briefly introduces the purpose of pipeline flexible design and the general method of improving pipeline flexibility， and analyzes the methods of improving pipeline flexibility through specific examples.

Keywords： pipeline flexibility； natural compensation； bellows expansion joint； variable spring support hanger

1 概述

當(dāng)管道因受熱膨脹或因冷卻而收縮時(shí)，與管道相連的設(shè)備或土建結(jié)構(gòu)將受到管道的作用力，同時(shí)設(shè)備以及建筑結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生相應(yīng)的反作用力。管道的柔性設(shè)計(jì)就是使管道有足夠的柔性，從而避免上述情況的發(fā)生，保證裝置的正常運(yùn)行。

1.1 管道柔性設(shè)計(jì)的目的

通過(guò)管道柔性設(shè)計(jì)可以避免管道因受熱膨脹或因冷卻而收縮等原因造成以下問(wèn)題：

（1）管道所受應(yīng)力過(guò)大或管道所用材質(zhì)疲勞。

（2）管道的連接點(diǎn)處產(chǎn)生泄露。

（3）管道應(yīng)力過(guò)大，從而影響與其相連設(shè)備的正常運(yùn)行。

1.2 管道柔性設(shè)計(jì)的方法介紹

在管道工藝設(shè)計(jì)中，使管道柔性提高的方法包括：改變管道主體走向（增加彎頭）、選擇適用于工藝條件的膨脹節(jié)、彈簧支吊架。

管道設(shè)計(jì)中，盡量使用改變管道走向的方法來(lái)提高管道柔性[1]。熱力管道布置時(shí)利用管道本身的自然彎曲來(lái)補(bǔ)償管道的熱伸長(zhǎng)。當(dāng)彎管轉(zhuǎn)角小于150°時(shí)能用作自然補(bǔ)償，大于150°時(shí)不能用作自然補(bǔ)償。管道設(shè)計(jì)中常用L形直角彎和π形彎等形式來(lái)提高管道柔性。

當(dāng)管道熱位移量較大，通過(guò)改變管道走向的自然補(bǔ)償方式不能將位移量吸收時(shí)，就要通過(guò)選擇相應(yīng)的補(bǔ)償器來(lái)吸收位移量。金屬波紋管膨脹節(jié)是金屬管道中最常見(jiàn)的柔性元件。雖然金屬波紋管膨脹節(jié)能夠承受較高的壓力，但因?yàn)椴y管的壁厚很薄，仍是管系中的薄弱環(huán)節(jié)，選用時(shí)必須謹(jǐn)慎。

在管道的垂直方向熱位移大的情況下，采用剛性支吊架存在造成支吊架的架空的可能性，因此起不到支吊架應(yīng)有的作用。此時(shí)必須采用彈簧支吊架。

2 需要進(jìn)行詳細(xì)柔性分析的管道判別

判別哪些管道需要進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，是管道柔性設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。對(duì)全部的管道進(jìn)行詳細(xì)的柔性分析顯然是不現(xiàn)實(shí)的，但如果不對(duì)管線進(jìn)行柔性分析則可能漏掉一些重要的管道，造成安全隱患。因此判別哪些管道需要進(jìn)行詳細(xì)柔性分析是非常必要的[2]。對(duì)一般輸送非有毒介質(zhì)的管系，通常用美標(biāo)ANSI B31.1及B31.3介紹的判斷公式進(jìn)行判斷，滿足該判別式的規(guī)定說(shuō)明管系有足夠的柔性，可不再進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

通過(guò)此判斷公式能夠判別出哪些管系需要詳細(xì)的柔性設(shè)計(jì)，同時(shí)可以驗(yàn)算管系的自然補(bǔ)償能否滿足柔性要求，從而判斷管道布置是否合理。

3 波紋膨脹節(jié)固定支架的推力計(jì)算

當(dāng)兩端封閉的管道受到壓力時(shí)，由于管道具有較大的剛度，應(yīng)力被剛度較大的管壁承受，此時(shí)不會(huì)作用在相應(yīng)的固定點(diǎn)上[3]。當(dāng)管系中安裝膨脹節(jié)時(shí)，推力仍然存在，但因?yàn)椴y膨脹節(jié)的剛度較小，承受的壓力推力有限，當(dāng)膨脹節(jié)自身平衡管道應(yīng)力時(shí)，該力將作用于膨脹節(jié)兩端管道的固定點(diǎn)上，假如膨脹節(jié)兩端管道沒(méi)有設(shè)置固定點(diǎn)或固定點(diǎn)的承壓能力不能滿足管系以及膨脹節(jié)所給的推力時(shí)，膨脹節(jié)容易被破壞，因此，膨脹節(jié)固定支架的承受推力的計(jì)算有重要意義。

在管段中包含膨脹節(jié)時(shí)，固定支架受到的軸向推力有以下幾部分：

（1）膨脹節(jié)補(bǔ)償器彈性反力FK

當(dāng)管道因受熱而膨脹時(shí)，補(bǔ)償器被壓縮而產(chǎn)生變形，由于補(bǔ)償器自身具有剛度，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)抵抗壓縮的力，這個(gè)力通過(guò)管道反作用到固定支架上，就是彈性反力FK。

（2）不平衡內(nèi)壓力Fn

當(dāng)在兩個(gè)固定支架之間設(shè)置補(bǔ)償器時(shí)，而在其中某一固定支架的另一側(cè)裝有閥門(mén)、堵板或彎頭時(shí)，并且當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，由于內(nèi)壓力的作用，將存在一個(gè)使補(bǔ)償器脫開(kāi)或損壞的趨勢(shì)。為了使補(bǔ)償器受到保護(hù)，要求固定支架有足夠的強(qiáng)度，這個(gè)力就是不平衡內(nèi)壓力Fn。

4 可變彈簧支吊架的計(jì)算

選擇可變彈簧支吊架時(shí)所做的工作是，根據(jù)彈簧的工作荷載、運(yùn)行位移量和位移方向以及管道的空間位置，確定彈簧的形式、工作位移范圍和安裝荷載。

5 結(jié)束語(yǔ)

高溫高壓管線在化工裝置中是肯定存在的，而這些管系的柔性對(duì)于裝置的安全至關(guān)重要，因此這些管系的柔性設(shè)計(jì)是非常必要的。

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