胡一鳴

(華陸工程科技有限責(zé)任公司)

直管壓力平衡型膨脹節(jié)在火炬管網(wǎng)中的應(yīng)用

胡一鳴*

(華陸工程科技有限責(zé)任公司)

基于直管壓力平衡型膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)和原理，給出了其在火炬管網(wǎng)中的布置方式和對(duì)管廊固定支架的作用力，同時(shí)對(duì)直管壓力平衡型膨脹節(jié)與“Π”型彎自然補(bǔ)償方法進(jìn)行了分析比較。工程應(yīng)用結(jié)果表明：與“Π”型彎自然補(bǔ)償方法相比，直管壓力平衡型膨脹節(jié)能有效解決火炬管網(wǎng)的熱應(yīng)力問題，降低石化裝置的投資成本和運(yùn)行成本。

直管壓力平衡型膨脹節(jié) 火炬管網(wǎng) “Π”型彎自然補(bǔ)償方法 熱應(yīng)力

以前，在石油化工裝置管道設(shè)計(jì)中，由于火炬系統(tǒng)能力要求較小、火炬總管較細(xì)，因此通常采用管道自然補(bǔ)償法(“L”、“Z”、“Π”型彎)和軸向型波紋管膨脹節(jié)補(bǔ)償形式來解決管網(wǎng)的熱應(yīng)力問題[1]。然而，隨著石化裝置規(guī)模的不斷擴(kuò)大，占地面積越來越大，各裝置間的工藝管道和公用工程管道也趨于大型化，使得火炬總管的直徑越來越大且長度更長。因此，為了降低作用到裝置管廊的結(jié)構(gòu)梁柱上的由自然補(bǔ)償和軸向型波紋管膨脹節(jié)而產(chǎn)生的巨大彈性力和內(nèi)壓推力，就需要人為增加自然補(bǔ)償?shù)臄?shù)量和加固管廊固定軸，這樣不僅會(huì)增加管道材料用量和土建工程量，還會(huì)增加火炬系統(tǒng)的阻力降。為此，筆者提出將直管壓力平衡型膨脹節(jié)應(yīng)用于現(xiàn)代大型火炬管網(wǎng)中，替代傳統(tǒng)的“Π”型彎自然補(bǔ)償方法，使火炬系統(tǒng)在滿足工藝要求的前提下，管網(wǎng)設(shè)置合理化，以確保火炬系統(tǒng)節(jié)約占地、投資適度[2]。

1 直管壓力平衡型膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1結(jié)構(gòu)

直管壓力平衡型膨脹節(jié)(圖1)由位于兩端的兩個(gè)工作波紋管(直徑相等、波數(shù)相同、變形彈性剛度K工作一致)、位于中間的一個(gè)平衡波紋管、拉桿及端板等組成[3]，主要用于吸收軸向位移并平衡波紋管的內(nèi)壓推力。

圖1 直管壓力平衡型膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2工作原理

直管壓力平衡型膨脹節(jié)工作時(shí)，兩個(gè)工作波紋管吸收相同的由于管道熱脹(冷縮)而產(chǎn)生的拉伸(壓縮)位移量X，而平衡波紋管則吸收相同的壓縮(拉伸)位移量X。在設(shè)計(jì)直管壓力平衡型膨脹節(jié)時(shí)，需要使平衡波紋管的有效面積A平衡等于工作波紋管有效面積A工作的兩倍，使之通過外部拉桿、端板等剛性構(gòu)件相連，達(dá)到內(nèi)壓推力的自身平衡。

2 直管壓力平衡型膨脹節(jié)的布置方式及其受力分析

2.1布置方式

火炬管網(wǎng)中，直管壓力平衡型膨脹節(jié)的布置方式如圖2所示。它一般位于外管廊上兩個(gè)固定點(diǎn)的中間。為防止橫向失穩(wěn)，在直管壓力平衡型膨脹節(jié)兩端最近的兩個(gè)支架處分別設(shè)置導(dǎo)向管架。

圖2 直管壓力平衡型膨脹節(jié)的布置方式

2.2對(duì)管廊固定支架的作用力

直管壓力平衡型膨脹節(jié)在火炬管網(wǎng)中工作時(shí)，作用于固定支架的推力F由膨脹節(jié)一端所有的滑動(dòng)支架摩擦力∑Ff、膨脹節(jié)工作波紋管和平衡波紋管吸收位移量時(shí)產(chǎn)生的彈性力FX和平衡波紋管與工作波紋管有效面積之間兩倍差的不平衡力FP組成，即：

F=∑Ff+FX+FP

=∑Ff+(2K工作+K平衡)X+(A平衡-2A工作)p

式中K平衡——平衡波紋管的變形彈性剛度；

p——壓力。

由于設(shè)計(jì)直管壓力平衡型膨脹節(jié)時(shí)A平衡=2A工作，由式(1)可知，作用于固定支架的推力F僅為直管壓力平衡型膨脹節(jié)受壓縮時(shí)產(chǎn)生的彈性力與膨脹節(jié)一端所有滑動(dòng)支架摩擦力之和，即F=∑Ff+(2K工作+K平衡)X。

3 直管壓力平衡型膨脹節(jié)與“Π”型彎自然補(bǔ)償方法的比較

直管壓力平衡型膨脹節(jié)常用于低壓、大直徑管道和軸向位移較大的場合；采用直管壓力平衡型膨脹節(jié)可使管道按直線布置、減少項(xiàng)目占地面積、提高管廊利用率、減小管道系統(tǒng)的運(yùn)行沿程阻力、減小管道直徑、減少管道支架的數(shù)量和減小管廊固定支架的水平推力，從而降低項(xiàng)目整體工程造價(jià)。

“Π”型彎自然補(bǔ)償方法雖然結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，但是補(bǔ)償能力較小、作用于管廊固定軸的水平推力較大，而且每隔一定長度就需要人為設(shè)置一組“Π”型彎，不僅增加了管道元件數(shù)量和現(xiàn)場安裝工作量，還增加了火炬系統(tǒng)沿程阻力和裝置運(yùn)行成本。

兩種補(bǔ)償方案的綜合比較見表1。

表1 兩種補(bǔ)償方案的綜合比較

注：直徑為1in的一個(gè)焊口為一個(gè)焊接當(dāng)量(1達(dá)因)。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

某石化裝置中，220℃、0.4MPa(G)、材料為L245 SAWL、管道公稱直徑800mm、壁厚12mm的火炬氣管道在外管廊連續(xù)敷設(shè)700m。

采用“Π”型彎自然補(bǔ)償方法時(shí)，按照每70m設(shè)置一組“Π”型彎，共需10個(gè)“Π”型彎。

采用直管壓力平衡型膨脹節(jié)時(shí)，按照每個(gè)膨脹節(jié)可以吸收250mm的軸向位移計(jì)算，每100m設(shè)置一個(gè)膨脹節(jié)，共需7個(gè)直管壓力平衡型膨脹節(jié)。

由表1可知，直管壓力平衡型膨脹節(jié)方案對(duì)管廊寬度要求較小，可以提高管廊的利用率，減少裝置占地面積，從而節(jié)約項(xiàng)目的一次性投資成本。同時(shí)，該方案作用于管廊固定點(diǎn)的水平推力較小，降低了管廊鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度和制造成本[4]。而且，可使火炬系統(tǒng)的壓降損失減小，裝置的長期運(yùn)行成本減少，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裝置的長期節(jié)能目標(biāo)。

5 結(jié)束語

筆者采用直管壓力平衡型膨脹節(jié)替代傳統(tǒng)的“Π”型彎自然補(bǔ)償方法，有效解決了石化裝置火炬系統(tǒng)管道熱應(yīng)力問題，且減少了裝置的整體成本和占地面積。隨著國家對(duì)節(jié)能減排和治理環(huán)境的關(guān)注，直管壓力平衡型膨脹節(jié)在大型石化裝置火炬系統(tǒng)中將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

[1] 李毅.石化裝置現(xiàn)場管道常見問題及解決辦法[J].化工機(jī)械,2012,39(4):526～528.

[2] 劉海峰.大型煤化工聯(lián)合裝置火炬系統(tǒng)的設(shè)置[J].石油化工建設(shè),2013,35(4):61～64.

[3] GB/T 12777-2008,金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件[S]．北京:中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2008.

[4] 褚以健．旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在石油化工裝置管道中的應(yīng)用[J]．化工設(shè)備與管道,2012,49(6):58～61.

* 胡一鳴，男，1980年8月生，工程師。陜西省西安市，710065。

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