周 威

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223 )

熱力管道的熱效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱位移，為避免管道的熱效應(yīng)對(duì)管道和管廊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，必須設(shè)計(jì)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來(lái)吸收熱位移，以減小應(yīng)力。傳統(tǒng)項(xiàng)目中一般采用自然補(bǔ)償來(lái)吸收熱位移，但自然補(bǔ)償?shù)奈漳芰τ邢蓿芟底枇岛蜔釗p失大，固定支架處推力大。隨著石油化工項(xiàng)目規(guī)模日益擴(kuò)大，全廠管廊上熱力管道口徑不斷增大、長(zhǎng)度不斷增加，采用自然補(bǔ)償將大幅度提高項(xiàng)目投資和運(yùn)行成本，尋求新的、更有效的補(bǔ)償方式顯得十分必要。

在熱力管道上安裝補(bǔ)償器是更有效解決熱力管道熱效應(yīng)的途徑。在石油化工領(lǐng)域常用的補(bǔ)償器有套筒式補(bǔ)償器、波紋管補(bǔ)償器、球形補(bǔ)償器和旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器等。套筒式補(bǔ)償器必須與管道同軸布置，抗側(cè)向推力差，易泄漏，會(huì)產(chǎn)生盲板力，維護(hù)成本高[1]。波紋管補(bǔ)償器使用壽命短，抗側(cè)向扭矩和抗震效果差，補(bǔ)償能力欠佳[2]。球形補(bǔ)償器補(bǔ)償能力強(qiáng)，不會(huì)產(chǎn)生盲板力，但隨著運(yùn)行時(shí)間積累，補(bǔ)償器密封圈易因磨損而發(fā)生泄漏[3]。旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器是一種新型補(bǔ)償器，具有補(bǔ)償能力強(qiáng)、布置形式靈活多樣、安全性能高和經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，可以有效提高大型管廊上熱力管道的綜合性能。

1 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在管廊上的布置形式

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在管廊上的布置形式見(jiàn)圖1。

圖1 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在管廊上的布置形式(“X”代表固定支架)

1.1 雙“U”型布置

雙“U”型布置在大型管廊應(yīng)用最為常見(jiàn)，由于大型石油化工全廠性管廊上管道數(shù)量眾多，管道在管廊上平行布置，不能輕易改變管道走向。該布置方式可以將多條平行布置的熱力管道集中套在一起布置旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器，在管廊立柱懸挑牛腿設(shè)固定支架，固定支架兩邊對(duì)稱(chēng)布置兩對(duì)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器，固定支架兩側(cè)的推力可以相互抵消。

1.2 “T”型布置

“T”型布置主要用于管廊母管抽頭的支管上，在熱力管道上，抽頭的支管會(huì)受到母管熱位移的影響，同時(shí)支管自身的熱位移也會(huì)對(duì)母管產(chǎn)生影響。為了減小母管和支管彼此之間的影響，可在支管抽頭拱起的立管上設(shè)一對(duì)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器，吸收母管和支管自身的熱位移。

1.3 “Z”型布置

“Z”型布置主要用于改變管道在管廊上水平位置。管道向上拱起改變管道在管廊上的水平位置，在拱起的立管上布置一對(duì)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器。該方式會(huì)將管道對(duì)稱(chēng)布置，固定支架處推力較小。

1.4 “L”型布置

“L”型布置主要使用于管廊拐彎處，有兩種布置方式。當(dāng)管廊拐彎處有較大的高差且足以布置2個(gè)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器時(shí)，可在立管處分階梯布置2個(gè)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器(見(jiàn)圖1“L”型(1))。當(dāng)管廊拐彎處沒(méi)有高差或者高差較小時(shí)，在管廊拐彎處向上拱起，利用拱起的立管布置一對(duì)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器(見(jiàn)圖1“L”型(2))。兩種方式都是通過(guò)一對(duì)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)吸收管道位移。

1.5 單“U”型布置

單“U”型布置主要用在管廊改變高差處，管道在變化高差時(shí)向一側(cè)水平伸出形成“U”型彎，在“U”型彎的兩臂上布置一對(duì)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器。由于該布置方式管道需要在管廊里水平轉(zhuǎn)彎，會(huì)阻擋“U”型彎一側(cè)的管道，故其應(yīng)用較少，多布置于管廊最外側(cè)的熱力管道上。

2 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器轉(zhuǎn)動(dòng)角度分析

由于雙“U”型布置方式在大型管廊上應(yīng)用最為常見(jiàn)，故選取該布置方式分析旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器各參數(shù)對(duì)管道熱位移的影響。由于雙“U”型布置為對(duì)稱(chēng)布置，可選取兩固定支架間單側(cè)“U”型管道模型進(jìn)行分析，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖2。其中，L0為主管長(zhǎng)度，ΔL為主管產(chǎn)生的熱位移，Y為主管產(chǎn)生的側(cè)向位移；L為兩旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器之間臂長(zhǎng)，α為旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器轉(zhuǎn)動(dòng)角度；u為懸挑牛腿固定架到補(bǔ)償器之間管道長(zhǎng)度，由于該長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于Lo，其產(chǎn)生的熱位移可以忽略不計(jì)。

圖2 雙“U”型布置旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化模型

根據(jù)管道的線性熱膨脹量可得主管熱位移：

ΔL=L0×ΔT×ε

(1)

式中，ΔT為溫度變化量； ε為管道熱膨脹系數(shù)。

根據(jù)圖2中幾何關(guān)系和式(1)可得：

(2)

(3)

由式(1)～(3)可以推出，當(dāng)臂長(zhǎng)L一定時(shí)，主管熱位移量ΔL越大，旋轉(zhuǎn)器的角度越大；當(dāng)主管熱位移量ΔL一定時(shí)，減小旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器間的臂長(zhǎng)L，補(bǔ)償器旋轉(zhuǎn)的角度α增大。雖然旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的轉(zhuǎn)動(dòng)角度增大，有利于提高其補(bǔ)償性能，但是旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的轉(zhuǎn)動(dòng)角度α越大，對(duì)主管的側(cè)向位移影響也越大，同時(shí)補(bǔ)償器自身的摩擦推力也更大。為了控制主管側(cè)向位移過(guò)大和減小補(bǔ)償器的摩擦推力，設(shè)計(jì)時(shí)需要限制旋轉(zhuǎn)角度α。一方面，通過(guò)控制主管熱位移量ΔL值，由于熱膨脹系數(shù)和溫差變化無(wú)法控制，只能通過(guò)控制主管長(zhǎng)度L0來(lái)控制ΔL值；另一方面，適當(dāng)增大臂長(zhǎng)L值來(lái)控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度大小，但是臂長(zhǎng)也不宜過(guò)大，因?yàn)楸坶L(zhǎng)過(guò)大后，臂長(zhǎng)自身的熱膨脹會(huì)引起主管側(cè)向位移迅速增大。一般旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的轉(zhuǎn)動(dòng)角度以不超過(guò)25°為宜。

3 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器臂長(zhǎng)及固定支架受力分析

管道固定支架軸向推力主要來(lái)自兩個(gè)方面：一是克服一對(duì)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器轉(zhuǎn)動(dòng)力矩產(chǎn)生的推力FM對(duì)固定支架所產(chǎn)生的推力F1；二是固定支架到補(bǔ)償器之間管道產(chǎn)生的摩擦力F2[4]。

根據(jù)圖3中的簡(jiǎn)化模型和力學(xué)知識(shí)可得：

(4)

(5)

式中，Mk為旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，一般由廠家提供。

圖3 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的力學(xué)簡(jiǎn)化模型

管道產(chǎn)生的摩擦力：

F2=μ×G

(6)

式中，μ為管托與管廊結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)，G為固定支架至旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器之間管道及附件、管道內(nèi)介質(zhì)等的重力。

固定支架的軸向推力：

(7)

根據(jù)式(7)可得，在旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器力矩一定的情況下，固定支架推力主要受主管長(zhǎng)度、摩擦系數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)角度和旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器臂長(zhǎng)等因素的影響。隨著主管長(zhǎng)度增加、重力增大、管道產(chǎn)生的摩擦力增大，導(dǎo)致固定支架推力增大。降低管托和管廊之間摩擦系數(shù)可以降低固定支架推力，一般通過(guò)選用低摩擦管托或滾動(dòng)管托來(lái)降低摩擦系數(shù)。隨著轉(zhuǎn)動(dòng)角度增大，克服力矩產(chǎn)生的推力增大，傳遞至固定支架處推力增大。隨著旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器臂長(zhǎng)增大，克服力矩產(chǎn)生的推力減小，引起固定支架處推力變小。通過(guò)控制主管長(zhǎng)度和補(bǔ)償器轉(zhuǎn)動(dòng)角度，可以有效降低固定支架推力，一般主管長(zhǎng)度控制在200m左右，轉(zhuǎn)動(dòng)角度不宜超過(guò)25°。

雖然增加旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器臂長(zhǎng)可以降低固定支架的軸向推力，但是臂長(zhǎng)不宜過(guò)長(zhǎng)。一方面，補(bǔ)償器臂長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)臂自身的熱膨脹會(huì)引起主管側(cè)向位移迅速增大；另一方面，補(bǔ)償器臂長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)對(duì)管廊空間需求越大，管廊成本增加。但過(guò)小的臂長(zhǎng)是不允許的：第一，其他因素不變，臂長(zhǎng)減小，旋轉(zhuǎn)角度增加，由式(7)可以看出，克服力矩產(chǎn)生的軸向推力迅速增大；第二，臂長(zhǎng)過(guò)小，旋轉(zhuǎn)角度超過(guò)補(bǔ)償器允許的極限值，補(bǔ)償器旋轉(zhuǎn)時(shí)克服的摩擦反力迅速增大，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器可能因發(fā)生卡塞而無(wú)法正常旋轉(zhuǎn)；再者，管廊上的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器是成組集中布置的，臂長(zhǎng)過(guò)小，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器旋轉(zhuǎn)角度過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器相互碰撞或卡死。所以，臂長(zhǎng)的選取應(yīng)恰當(dāng)，廠家通常會(huì)根據(jù)主管的口徑給出旋轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)的推薦值，主管口徑越大，臂長(zhǎng)推薦值也越大。

4 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器管道支架設(shè)計(jì)分析

采用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的熱力管道支吊架與采用自然補(bǔ)償?shù)墓艿乐У跫茉谠O(shè)計(jì)方面有很多不同之處，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意下列問(wèn)題。

(1)由于旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器補(bǔ)償能力很強(qiáng)，固定支架設(shè)置間距較大，導(dǎo)致管道的軸向位移比采用自然補(bǔ)償時(shí)顯著增大，為了避免較大的熱位移引起管托滑落，管托一般需要加長(zhǎng)或者偏裝。管托的加長(zhǎng)量和偏裝量根據(jù)管道支架點(diǎn)的熱位移量來(lái)確定，偏裝量一般為管道熱位移的一半，偏置方向與位移方向相反[5]。

(2)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生側(cè)向位移，一般需要在成組布置的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器附近的主管上設(shè)置導(dǎo)向支架，保證轉(zhuǎn)補(bǔ)償器能夠按照正確的方向旋轉(zhuǎn)。 但導(dǎo)向支架不能距離補(bǔ)償器太近，否則可能會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)償器卡死。一般導(dǎo)向支架距離旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的水平距離為10～20倍的管道公稱(chēng)直徑。

(3)由于旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器與固定支架之間的距離較大，滑動(dòng)管托與管廊之間累積的摩擦力較大，為有效降低摩擦力對(duì)固定支架推力的影響，可選用低摩擦系數(shù)管托，如滾動(dòng)管托或在管托與管廊結(jié)構(gòu)摩擦面采用不銹鋼板或聚四氟乙烯板等[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在管廊上的布置形式靈活多樣，具有廣泛的適用性和較強(qiáng)的補(bǔ)償性能。旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在熱力管道上的綜合性能受多方面因素影響。為平衡好旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器補(bǔ)償性能、固定支架推力、管道側(cè)向位移和管廊上安裝空間等因素之間的關(guān)系，需控制合適的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、旋轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)和主管長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器管道支吊架時(shí)，需考慮固定支架間距大和管道位移量大等特點(diǎn)對(duì)支吊架設(shè)置的特殊要求。