热力管道的补偿设计及典型问题分析

1、收稿日期:2004208209作者简介:董同武(19682,男(汉族,湖北监利人,工程师,学士,从事化工设备设计及施工管理工作。文章编号:100027466(20050120038203热力管道的补偿设计及典型问题分析董同武(荆门炼化工程设计有限公司,湖北荆门448039摘要:简要论述了管道热补偿的基本原理,强调了在补偿设计中应注意的问题,并对近几年来一些工程项目中出现的典型问题进行了分析说明。关键词:管道;补偿设计;热应力;支架中图分类号:T Q 055.8文献标识码: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热胀冷缩是自然界的基本规律。在管道设计中,必须考虑管道的热胀或者冷缩,并且应该采取相应的措施,否则,由此产生的作用力将通过管道系统传递到固定支架和相关连的设备上,对设备以及管道的安全运行构成一定的威胁。充分认识管道推力产生的机理,对设计、施工及管道管理的各级人员都是相当重要的。文中结合近年来有关管道工程中出现的一些事故进行了分析说明,以引起相关人员的重视。1热应力与补偿111

4、热应力若管线两端不固定,允许其自由变形,则热伸长对管子的强度没有什么影响。但在管线两端都固定的情况下,管子不能自由伸长,由于工作温度的影响迫使它产生热伸长时,在管子内部就会产生附加的热应力,根据虎克定律:=E =E l t/l =E t 式中,E 为管线材料的弹性模量,MPa ;为管线材料的应变;为管线材料的线膨胀系数,1/;l 为管线安装时的长度,m ;t 为工作温度与安装温度之间的差值,。对于两端固定的直管,其热膨胀必须予以吸收(补偿,否则热应力对固定点的推力将使管线、固定点、设备以及接管的相关部分受到破坏。在工作温度为200时,单位长度的 219mm ×6mm 的20无缝钢管,

5、在直段两端固定情况下,根据虎克定律可知管子的应力附加值=412MPa >120MPa 。120MPa 为20钢管在200的许用应力值。由此可以看出,管子附加热应力已远超出许用应力值。此时,管道已经产生屈服并且处于不安全状态。按 219mm ×6mm 管子截面积A =4.01×103mm 2计算,此时作用到固定点的推力F =A =1.65×106N 。如此大的推力是任何设备或者支架都无法承受的。112管道热补偿为了吸收和消除管道所产生的热应力,在配管设计中,必须考虑管道的热补偿,从而使管道具有足够的弹性,以满足设备或支架的受力要求。管道的弹性指的是管道在力的作

6、用下出现弹性变形,当力停止以后又恢复到原状的能力。在一定的变形下所需的力越小,则管道的弹性就越大。特定的管道系统是否能够依靠自身的弹性变形来吸收热膨胀,必须通过计算进行判定,一般采用ANSI 提供的公式进第34卷第1期2005年1月石油化工设备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为管道的公称直径,为管系总变形量, cm;L为管系在两固定端之间的展开长度,r为管系在两固定点之间的直线距离,m。如果满足上述判断式,则说明管系具有足够的弹性,热膨胀导致的端点位移所产生的热应力在许

7、可范围之内,可不再进行详细的应力计算。精确的管道应力计算是相当繁琐和复杂的,必须借助于一些专用的计算软件,目前常用的有C ASE AR管道应力分析程序。热力管道补偿设计的核心是管道的应力分析计算,其它内容还有管道的走向布置及支架和吊架的设置等。采用应力分析计算软件进行应力计算时的一般步骤为:以固定支架或设备划定需要计算的管道系统。输入管系的各项计算参数,如设计压力、设计温度、管径、介质特性以及所需的管件、支架和吊架形式及其位置等。需要说明的是管系的法兰压力等级除了应满足工作介质的要求外,还更应满足管道的受力要求。有时计算结果要求的工艺管道法兰的压力等级会远高于设备本体结构法兰的压力等级,最后应

8、由应力分析计算结果来确定。此时需要调整管道走向,改变补偿结构或者改变支架、吊架的形式和位置以满足管系应力计算结果合格。2管道应力分析程序计算中需注意的几个问题理论上热力管道的补偿设计过程和方法都是比较简单和清晰的,但实际的配管设计仍然是相当复杂的。一个完善的管道系统设计仍然需要设计人员具有相当的理论和实际工作经验。笔者根据近年来工程实际中频繁出现的一些事故,提出了在热补偿设计方面应引起注意的几个问题。211支架的设置在管系设计中应避免选用多个波形(或承插补偿器,除了两端设备外,中间支架应全为滑动管托。为避免选用多个补偿器,配管设计时应首先简化管道系统,再确定管道的位移、固定支架及其受力分布情况

9、,最后确定承重和导向支架。选用补偿器的前提应是初步设定管道固定支架的位置,其目的是由固定支架将管道系统分割成简单的、可以独立膨胀的管段。由于热伸长是不可消除的,而固定支架的作用在于限制和控制其位移量,因此,热补偿通过安装在2个固定支架之间的补偿器来吸收。任何情况下都不要在管段的2个固定支架之间安装多个单式膨胀节2,3。212管道膨胀节的应用管道膨胀节作为专用的补偿元件,在应用时必须考虑内压推力和波纹管的轴向弹力。内压作用在波纹管壁上产生的反作用力称为波纹补偿器的内压推力,可按F=p A=0.785pD i2计算。式中,F为内压推力,N;p为管道内压力,MPa; A为膨胀节的有效面积,mm2;D

10、 i为波纹管中径, mm。内压推力可沿波纹管壁传到固定支架上,使支架承受相应的推力。为了使固定支架免受巨大的推力,可用连杆、铰链或平衡环将膨胀节的两端连接起来。如某输运管道直径为 1450mm,其管内压力为010981MPa,波纹管中径为 1500mm,根据计算其内压推力F=173269N。这对管道支架或设备元件都将构成很大威胁。可见,在大直径管道上使用波形膨胀节时,内压推力和波纹管变形力(轴向弹力会很大。为此,必须仔细考虑以下问题:对设备或支架的推力是否允许。对压力平衡型或铰链型膨胀节,所有附属部件,如铰链板、销轴和平衡环都应仔细地进行强度核算,其中铰链板和销轴的计算可用常规方法,而平衡环的

11、计算则必须按曲梁理论,或按照有关标准规范进行设计计算4。某热电厂蒸汽管道的压力平衡型补偿器因附属部件未作强度核算,导致补偿器爆破、管线断裂和固定支架损坏的重大工程事故发生,造成了巨大的直接经济损失5。213内压流体对弯管的作用力在管线的末端、拐弯处、分支点以及装有阀门的地方,管道内流动的流体会对管道产生压力推力以及离心力。这种作用力会通过管道传递到相应的固定支架上,因此,管道的固定支架以及与其相连的结构都必须能承受作用在它们上面的所有的力。内压流体作用下90°弯管的受力见图1,图1中的受力计算如下:F=F x2+F y2F x=p1A1+q V v1F y=p2A2+q V v2式中

12、,F x为流体对弯管在x方向的分力,F y为流体对弯管在y方向的分力,F为流体对弯管作用力, N;p1和p2为管道内流体压力,MPa;A1和A2为管道有效截面积,m2;为流体密度,kg/m3;q V为通过管段的体积流量,m3/s;v1和v2为流体速度,m/s。93第1期董同武:热力管道的补偿设计及典型问题分析2004年某厂新建的CF B 锅炉装置的一段抽汽管道放空线的出口处为1个90°弯头,在第1次放空时突然断裂,DN350mm 的弯管飞出导致发生了一人当场死亡、装置紧急停工的重大恶性事故。事故的直接原因是由于没有考虑放空时流体对90°弯头产生的作用力,由于现场支架只能满足

13、介质竖直向上排放的减震和受力要求,因此,由介质产生的巨大内压推力及离心力导致了DN350mm 管段从根部断裂后飞出 。图1 内压流体对弯管的作用力图2 挥发线热补偿结构示图图3管系固定点的设置示图214长拉杆复式膨胀节的支撑对长拉杆复式膨胀节中间管段应采取支撑措施。否则,由于中间管段重力(包括附件和保温材料的作用,将使复式膨胀节上、下2组波在高温时产生严重不均匀变形。中间管段可支撑在拉杆上,也可用弹簧支(吊架专门支撑。某炼油厂烟机入口管道的长拉杆复式膨胀节,由于未采取支撑措施,使用很短时间后就失效了6。215管系自补偿设计时应注意的问题某常压塔挥发线管道热补偿结构见图27,规格为 377mm

14、×10mm ,此管道在正常操作时,由于各处温度一致,管系本身的弹性是满足要求的。但是,在开工时,由于塔体温度与挥发线温度不一致,上部支承点A 阻碍了管道向下的弹性变形,整个管系的弹性被破坏,致使下部弯头焊缝处2次开裂。可见此挥发线热补偿结构是失败的。原因就在于对多种工艺状况考虑不周。因此,弹性自补偿设计需要综合考虑各个方面的因素1,8。又如图3所示的情况,在图3a 中,将固定点上移则可取消“象鼻弯”,如图3b 所示;在图3c 中L 的设置应能吸收竖管的热胀、端点位移以及设备的不均匀沉降。若管段质量很大时,应在L 范围内装设弹簧支(吊架支撑。3结语由于管道热力补偿设计不合理或是施工不当,都会严重影响到整个装置的正常安全生产,因此,管道的施工安装也必须严格遵循有关标准,并且予以实施。文中所述是笔者在工程中遇到的容易被忽视的问题,希望能引起同行们的重视。参考文献:1张德姜,王怀义,刘绍叶.石油化工装置工艺管道安装设计手册(第一篇M.北京:中国石化出版社,1994.2章忻.膨胀节在管道上的应用J .石油化工设备技术,1998,19(6:12213.3黎廷新.膨胀节J .化工炼油机械通讯,1977,6(2:512684于济民.平衡环膨胀节的平衡环计算J .石