李曉君 趙妍 王春龍 吳大剛

摘要：工業(yè)管道是企業(yè)能源物質(zhì)輸送的命脈，是企業(yè)的生產(chǎn)、生活不可或缺的傳導設備，各種工業(yè)管道縱橫交錯，閥門、接頭種類復雜繁多，所處環(huán)境惡劣。工業(yè)管道所承載介質(zhì)的溫度、壓力、粘度、腐蝕性等物理化學性質(zhì)關系到工業(yè)管道前期的設計及投入后的使用壽命。特別在北方地區(qū)，冬季夏季溫差大，室外工業(yè)管道的設計尤其重要，既要考慮工業(yè)管道的工藝設計參數(shù)，又要考慮到冬季管道內(nèi)介質(zhì)凝固問題，因此在北方地區(qū)，室外的工業(yè)管道常安裝在地溝內(nèi)，地溝深度根據(jù)當?shù)貎鐾翆雍穸榷ǎㄩL春最大凍土層深度為169cm），有些地溝內(nèi)設置采暖水伴熱系統(tǒng)，保證地溝內(nèi)溫度，防止工業(yè)管道出現(xiàn)凍裂現(xiàn)象。本文就工業(yè)管道膨脹壓力上升進行分析，并針對有伴熱系統(tǒng)的工業(yè)管道由于熱膨脹原理導致工業(yè)管道內(nèi)壓力上升的問題分析并制作解決措施，防止工業(yè)管道壓力上升超過設計壓力而造成壓力管道破損或壓力過高損傷設備等故障的發(fā)生。

關鍵詞：工業(yè)管道;膨脹壓力;泄壓裝置

在壓強增大時，流體就會被壓縮，導致體積減小，密度增大;而受熱后溫度上升時，流體的體積就會增大，密度會減小，這種現(xiàn)象稱為流體的壓縮性和熱脹性。對于液體來說這兩種變化都非常小，通常是可以忽略不計的。但當工業(yè)管道達到飽和壓力后處于封閉狀態(tài)，當溫差變化較大時，工業(yè)管道內(nèi)壓力上升就會較大，這種現(xiàn)象對工業(yè)管道及管道上各部件造成的損傷是不可忽略不計的。

本文將對工業(yè)生產(chǎn)中使用的可蘭素液體進行熱脹性分析，采用理論與實驗相結(jié)合方法，探究工業(yè)管道內(nèi)液體的熱脹性與液體本身的物理化學性質(zhì)的關系。本文所得成果只局限于密閉空間液體壓力與溫度之間的關系，并將應用于間歇性輸送工業(yè)管道設計及設備維護中。

一、工業(yè)管道膨脹壓力的現(xiàn)狀

（一）工業(yè)管道膨脹壓力問題簡述

在汽車生產(chǎn)制造過程中，是需要各類油品、可蘭素、玻璃水等液體，油品的輸送有嚴格的防火要求，通常采用氣動泵作為動力源進行油品傳輸。其末端設備設有儲液箱，并配有液位控制器。當液位到達下限位時，儲液箱自動閥門開啟進行補液;當液位到達上限位時，儲液箱自動閥門關閉停止補液。這時工業(yè)管道在氣動泵的作用下達到飽和壓力，氣動泵停止工作，管道保壓。此時在伴熱管路的作用下，工業(yè)管道內(nèi)介質(zhì)溫度上升，由于液體具有熱脹性，導致壓力隨之升高，甚至超過工業(yè)管道的設計壓力，嚴重影響工業(yè)管道及氣動泵的使用壽命。其中以可蘭素的熱脹性特別明顯，本章將以可蘭素為代表性液體進行膨脹壓力的現(xiàn)狀描述。

（二）可蘭素輸送管路系統(tǒng)介紹

1.可蘭素系統(tǒng)原理圖

2.可蘭素系統(tǒng)介紹

（1）可蘭素輸送管路采用不銹鋼管，規(guī)格：DN40，由氣動隔膜泵作為動力源輸送可蘭素，壓縮比例1∶1，壓縮空氣壓力為0.58–0.65Mpa之間，由調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)壓縮空氣壓力至0.3–0.4Mpa。

（2）可蘭素輸送管路總長度為190米，共由三部分組成，其中油庫內(nèi)部可送管道長度為10米，地溝內(nèi)管道長度為60米，總裝車間廠房內(nèi)管路長度為120米。地溝內(nèi)管道進出口處均裝有蝶閥，在系統(tǒng)圖中為1#、2#蝶閥。

（3）地溝內(nèi)部鋪設采暖水伴熱管路，規(guī)格：DN50，材料：不銹鋼管。伴熱管道內(nèi)水溫度為60–70℃，伴熱后地溝內(nèi)溫度可達到40℃。

（4）當方形儲液箱液位低于30%時，自動閥門開啟，開始對方形儲液箱補液，液位到達70%時，自動閥門關閉停止補液，可蘭素輸送管道系統(tǒng)壓力穩(wěn)壓0.3–0.4Mpa之間，氣動隔膜泵停止工作。

3.可蘭素系統(tǒng)膨脹壓力現(xiàn)象

（1）當輸送管路穩(wěn)壓0.3至0.4Mpa后，氣動隔膜泵停止工作，壓力表示數(shù)為0.35Mpa。穩(wěn)壓約30分鐘，壓力表示數(shù)逐步上升至2.2Mpa。

（2）升壓過程中，剛開始升壓速度較慢，隨后升壓速度逐步加快。如不進行泄壓，壓力上升至2.2Mpa后，穩(wěn)定壓力。

二、工業(yè)管道膨脹壓力的危害

（一）對設備的危害

1.對隔膜泵的危害。工業(yè)管道膨脹壓力會對管道泵、壓力表等部件造成損傷。在油庫內(nèi)使用的泵為氣動隔膜泵，當管道保壓后，隔膜泵隔膜兩側(cè)的壓力相同，隔膜泵停止工作。當管道在膨脹壓力的作用下管道壓力上升，致使隔膜單側(cè)壓力上升，隔膜兩側(cè)壓力失衡，液體側(cè)壓力高于氣體側(cè)，當壓差超過一定值后，就會造成隔膜擊穿現(xiàn)象，隔膜泵損壞。

2.對壓力表的危害。工業(yè)管道壓力表選用規(guī)程，壓力表量程一般為設計壓力的1.5—2倍。就上述可蘭素問題，壓力表原選用0.6Mpa量測的壓力表，在管路膨脹壓力的作用下，超過壓力表的量程，造成壓力表損壞，無法使用。出現(xiàn)故障后選用量程為2.5Mpa的壓力表進行監(jiān)測。

3.對末端設備的危害。工業(yè)管道末端設備選用上通常選用耐壓為設計壓力的1.5倍，但膨脹壓力通常為設計壓力的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，對末端設備的耐壓情況提出嚴控的考驗，輕則造成末端設備微滲問題，重則毀壞設備無法修復。

（二）對工業(yè)管道的危害

1.對管道的危害。工業(yè)管道耐壓一般為設計壓力的1.5倍，當膨脹壓力過高時會將管路擊穿，造成滲漏問題或者造成管路破裂，無法修復，影響企業(yè)正常生產(chǎn)經(jīng)營，甚至會出現(xiàn)安全事故。

2.對管件的危害。工業(yè)管道在膨脹壓力的作用下，管道連接處會出現(xiàn)滲漏問題。法蘭連接部位造成法蘭墊破損;閥門造成損害，關閉不嚴等問題。

（三）對操作人員的危害

工業(yè)管道在膨脹壓力的作用下導致閥門部件破裂，連接件飛出情況，存在安全隱患。特別在氣體壓力管道上特別明顯，這是由于氣體可壓縮性強。升高同等壓力，氣體比液體能力升高更多，含有的能力更多，管道破裂后造成的迫害性越強。

以上是工業(yè)管道膨脹壓力的危害，現(xiàn)場中要注意觀察管道壓力變化，最好追蹤監(jiān)控，將壓力控制在合理范圍，保證工業(yè)管道正常運行，避免膨脹壓力對企業(yè)安全生產(chǎn)經(jīng)營造成影響。

三、工業(yè)管道膨脹壓力的消除方法

（一）工業(yè)管道膨脹壓力的原因分析

1.工業(yè)管道膨脹壓力–設備上的原因

（1）設備采用隔膜泵供給輸送方式，會出現(xiàn)不連續(xù)輸送情況，低于設定下限液位時，隔膜泵啟動作業(yè)，達到上限液位時，隔膜泵停止工作，管道壓力維持恒定，進入保壓狀態(tài)，因此造成工業(yè)管道密閉和具有初始壓力。

（2）油庫內(nèi)部的儲液罐未安裝加熱裝置，冬季時儲液罐內(nèi)部的液位溫度較低，進入管道后有伴熱管路，導致對液體進行加熱，因此產(chǎn)生液體溫度上升，出現(xiàn)膨脹壓力現(xiàn)象。

（3）工業(yè)管道上沒有泄壓裝置，當壓力超過管路設定壓力時，無法進行泄壓排放，這樣介質(zhì)出現(xiàn)熱膨脹后，壓力無法釋放，工業(yè)管道就會產(chǎn)生膨脹壓力現(xiàn)象。

2.工業(yè)管道膨脹壓力–介質(zhì)上的原因。工業(yè)管道內(nèi)部輸送介質(zhì)的熱膨脹性較大，明確輸送介質(zhì)的熱膨脹性可以通過實驗進行確認，將1升的液體按照0.2MPa的壓力加入到DN50的管路中;初始液體及管路溫度為10℃，對管路進行加熱，使液體和管道共同達到40℃時，查看管道壓力上升情況，如壓力上升超過0.3Mpa，則認定為該液體熱膨脹性較大，在工業(yè)管道運行使用過程中需要考慮液體的熱膨脹性。

3.工業(yè)管道膨脹壓力–輸送方式上的原因。工業(yè)管道輸送介質(zhì)過程中，一般分為供給式輸送、抽取式輸送或者兩者相結(jié)合使用。采用供給式輸送時，管路內(nèi)形成正壓力，采用抽取式輸送時，管路內(nèi)形成負壓力。工業(yè)管道采用供給式輸送并且是非連續(xù)型輸送，工業(yè)管道運行過程存在保壓階段，這樣液體膨脹所產(chǎn)生的壓力無法進行釋放，就會產(chǎn)生膨脹壓力情況。

4.工業(yè)管道膨脹壓力–環(huán)境上的原因。工業(yè)管道用于輸送介質(zhì)，由于介質(zhì)的溫度變化導致產(chǎn)生膨脹壓力情況。冬季時室外溫度較低，運送到油庫的液體油品等溫度較低，輸送到工業(yè)管道后進行加熱，導致介質(zhì)溫升較大，這樣就會產(chǎn)生較大的熱膨脹，出現(xiàn)膨脹壓力情況。

（二）工業(yè)管道膨脹壓力的消除方法

1.工業(yè)管道輸送方式優(yōu)化。將供給型輸送管道改造為抽取式輸送管道，確保管道處于負壓狀態(tài)，這樣會避免膨脹壓力的產(chǎn)生，但這種輸送方式要嚴格考慮輸送管道的長度，精密計算管道的延程阻力和局部阻力，確保抽取到真空狀態(tài)情況下，液體可以在大氣壓的作用下是介質(zhì)達到設計流速和流量，保證工業(yè)管道正常運行。

2.工業(yè)管道設備上的改造

（1）將儲液罐改造為加熱型儲液罐，將介質(zhì)進行預加熱，使進入工業(yè)管道內(nèi)的介質(zhì)初溫達到一定高度，從而減少介質(zhì)溫升，控制介質(zhì)的熱膨脹范圍在工業(yè)管道承受范圍內(nèi)，從而消除膨脹壓力問題。

（2）在工業(yè)管道上安裝泄壓裝置，當工業(yè)管道內(nèi)部的壓力高于設定壓力時，會通過泄壓裝置將膨脹的介質(zhì)排出，從而降低管道內(nèi)部壓力，以此消除膨脹壓力問題。

（三）可蘭素輸送系統(tǒng)膨脹壓力的消除方法

1.可蘭素輸送系統(tǒng)方案確認。通過對工業(yè)管道膨脹壓力問題的分析，本系統(tǒng)最終采用加裝泄壓裝置的方案，以此消除膨脹壓力問題。系統(tǒng)原理圖如下：

2.可蘭素輸送系統(tǒng)實施效果。通過加裝泄壓裝置后，該系統(tǒng)未出現(xiàn)過超壓問題，保證系統(tǒng)正常運行，并且泄壓排放的介質(zhì)重新返回到儲液罐，避免造成浪費問題。執(zhí)行該方案，投入成本最低，且效果良好，簡單有效。

四、結(jié)語

工業(yè)管道是企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的重要設備，用于輸送各種介質(zhì)，保證企業(yè)正常生產(chǎn)經(jīng)營。工業(yè)管道大多布置在高空或者地下，當出現(xiàn)問題時維修困難，并且原因查找困難。工業(yè)管道在運行過程中存在多種問題，要進行全面系統(tǒng)性分析，建立系統(tǒng)判定能力，掌握管道運行特點和基本原理，通過理論推測和假設演示的方法預測故障，并結(jié)合實際情況進行對比分析，以此查找工業(yè)管道故障，減少工業(yè)管道故障查找時間，快速解決工業(yè)管道運行問題。

工業(yè)管道的膨脹壓力問題一直是設計人員和運行維護人員容易忽略考慮的細節(jié)情況。相關工作人員要充分認識膨脹壓力對管道及設備造成的危害，及時消除膨脹壓力的影響，保證工業(yè)管道正常運行，為企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營提供有力保障。

參考資料

王惠民.流體力學基礎[M].第3版.北京：清華大學出版社，2013.