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)計中常用的思想，其對于提高管道系統(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)行過程中，出現(xiàn)熱脹和端點(diǎn)位移現(xiàn)象在所難免，其對管道本身的耐久度不會產(chǎn)生較大影響但是熱脹引起的溫度應(yīng)力可能會威脅管道系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如不加以控制將會對管道的正常運(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?，F(xiàn)階段在管道設(shè)計中，設(shè)計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。

1 自然補(bǔ)償法概述

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，管道會產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，附加到對他產(chǎn)生約束作用的結(jié)構(gòu)上，對支撐構(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)計方案外，設(shè)計人員還可以通過引入自然補(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)簡單、運(yùn)行可靠、成本低的優(yōu)勢，因此在化工管道設(shè)計中的應(yīng)用更為廣泛。

2 自然補(bǔ)償法的計算方法

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，管道彎曲部分的塑性變形及彈性變形實(shí)現(xiàn)對管道的自然補(bǔ)償，其中熱力管道的伸長量計算公式如下：

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)計使用溫度℃

L——管道長度m。

在自然補(bǔ)償法，各種補(bǔ)償方式的設(shè)計關(guān)鍵在于臂長的計算。以下為L型自然補(bǔ)償、Z型自然補(bǔ)償臂長的計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)償臂長計算方法

L型自然補(bǔ)償法中直角彎斷臂長的計算公式如下：

其中：

l——L型自然補(bǔ)償短臂長度m；

△L——長臂L的熱伸縮量mm；

DW——管道外徑mm。

2.2 Z型自然補(bǔ)償臂長計算方法

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)償短臂的計算公式如下：

其中：

l——Z型自然補(bǔ)償短臂長度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會出現(xiàn)兩個方向的位移和推力，垂直臂變形產(chǎn)生的應(yīng)力由水平臂的變形來補(bǔ)償，垂直臂越長、水平臂越長則自然補(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——管道三個方向熱伸長量的向量和cm；

L——管道展開總長度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)沒有支吊架；最后管道沒有分管。

3 化工管道自然補(bǔ)償能力提高的方法

3.1 提高管道柔性

管道柔性同管道在面對溫度變化時所產(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)計的核心就是通過增加管道彎曲度來提高管道的柔性。另外，在平面管道系統(tǒng)中，設(shè)計人員也可以通過使用沒有熱膨脹或熱膨脹系數(shù)小的管道來增加系統(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)管線沒有發(fā)生較大位移時，為了減少管線變形量，長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、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)償方法沒有很好的削弱溫度應(yīng)力對管道系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性的不利影響時，設(shè)計人員需要從管道設(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)力超限問題，盡可能一次性實(shí)現(xiàn)管道熱應(yīng)力的自補(bǔ)償。

4 結(jié)語

總的來講，管道是化工企業(yè)主要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，對于保證生產(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)行過程中溫度應(yīng)力對系統(tǒng)的不利影響，管道設(shè)計中需要引入自然補(bǔ)償法的思想，借助于簡單的結(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)計中的自然補(bǔ)償法研究[J].化工管理,2016,(21):88.

[2]王一.化工管道設(shè)計中常用的自然補(bǔ)償法研究[J].化工管理,2016,(02):24.