林立江

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司，廣東 廣州 510655)

化工管道在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要作用。化工管道，作為關(guān)鍵的運(yùn)輸載體，為各類燃料、燃?xì)獾荣Y源的穩(wěn)定供應(yīng)提供了保障?；す艿朗芟抻谧陨聿馁|(zhì)，不可避免地會(huì)因?yàn)橥饨鐪囟鹊淖兓霈F(xiàn)膨脹收縮的情況，管道尺寸也會(huì)隨著時(shí)間推移，逐漸與設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生較大差異。在未能及時(shí)對(duì)變化的尺寸進(jìn)行補(bǔ)償修復(fù)的情況下，管道將會(huì)在極大應(yīng)力的作用下出現(xiàn)斷裂、破損等情況，導(dǎo)致資源運(yùn)輸中斷。將自然補(bǔ)償應(yīng)用到化工管道設(shè)計(jì)過(guò)程中，則可以有效改善這一問(wèn)題，提升燃料相關(guān)資源的運(yùn)輸穩(wěn)定性。

1 化工管道設(shè)計(jì)概述

化工管道組成主要為閥門(mén)、管件和管道本體。在運(yùn)輸燃料等資源的過(guò)程中，管道將會(huì)承受重力、壓力、地震、位移、機(jī)械振動(dòng)、沖擊等各種載荷，其中，壓力和重力以及位移載荷中熱脹冷縮是管道的主要應(yīng)力來(lái)源。設(shè)計(jì)人員通常選擇對(duì)管壁厚度進(jìn)行調(diào)整、提升管道承重能力，以及設(shè)置導(dǎo)向支架等方式，避免化工管道承受的外力載荷超出限制[1]。針對(duì)熱脹冷縮問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)需要對(duì)管道介質(zhì)的溫度情況、管道布置走向、管道厚度等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是優(yōu)化設(shè)計(jì)工作較為復(fù)雜，而柔性設(shè)計(jì)中的自然補(bǔ)償法，具有較高應(yīng)用效果，同時(shí)設(shè)計(jì)應(yīng)用也較為簡(jiǎn)單，是化工管道設(shè)計(jì)應(yīng)用的重點(diǎn)方向。

2 自然補(bǔ)償與補(bǔ)償器在化工管道應(yīng)用中的對(duì)比

在化工管道設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)為管道設(shè)置數(shù)量眾多的管道支架以及各類連接設(shè)備。在這種情況下，化工管道的熱脹冷縮將會(huì)受到限制。根據(jù)線膨脹量計(jì)算公式，管道熱脹冷縮量與溫度變量、膨脹系數(shù)，以及管道長(zhǎng)度有關(guān)。在伸縮受限的情況下，溫度應(yīng)力將會(huì)作用于管道相關(guān)部件，引發(fā)管道破裂等事故發(fā)生，而自然補(bǔ)償這類柔性設(shè)計(jì)方法，能夠有效緩解管道溫度應(yīng)力的影響，提升設(shè)備的可靠性[2]。

一般而言，設(shè)計(jì)人員需要在布置工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)之前做好熱應(yīng)力管道的設(shè)計(jì)工作。在這一過(guò)程中，需要對(duì)管道應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，并通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值與應(yīng)力數(shù)值的方式，選擇相應(yīng)的熱補(bǔ)償措施，確保管道在運(yùn)行環(huán)境中始終穩(wěn)定可靠。常用的熱補(bǔ)償方式為補(bǔ)償器補(bǔ)償以及自然補(bǔ)償。

補(bǔ)償器通常為膨脹補(bǔ)償器，該設(shè)備安裝于膨脹變換量較高的化工管道處。常用的類型主要為π型、球型、套管、波紋等各類補(bǔ)償器[3]。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，π型補(bǔ)償器適用于各類壓力管道，具有可靠、簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)；球型補(bǔ)償器以及套管補(bǔ)償器在應(yīng)用過(guò)程中容易因填料松弛問(wèn)題導(dǎo)致內(nèi)部運(yùn)輸材料泄漏問(wèn)題，該類補(bǔ)償器禁止在有毒可燃類介質(zhì)管道中應(yīng)用；波紋補(bǔ)償器具有占地小且補(bǔ)償性能優(yōu)越等特點(diǎn)，但存在成本高、難制造等缺點(diǎn)，多用于直徑大、壓力低的管道。在應(yīng)用時(shí)自然補(bǔ)償方法，設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合管道走向進(jìn)行各種形狀的彎曲改造工作。管道在自然彎曲形狀的支持下能夠?qū)Χ它c(diǎn)位移以及熱膨脹位移等情況進(jìn)行有效補(bǔ)償。這種設(shè)計(jì)方法具有成本低、可靠度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)，適用于各類化工管道的熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)工作。

3 自然補(bǔ)償法在化工管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

補(bǔ)償法是化工管道設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容。如前文所述，自然補(bǔ)償比補(bǔ)償器在成本和性能方面都更具優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要充分考慮所設(shè)計(jì)管道的具體情況，結(jié)合實(shí)際合理應(yīng)用自然補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法。

針對(duì) 100 mm 管徑的化工管道，若管道運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)溫度低于 -20 ℃ 或者高于 230 ℃ 的情況，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)該類管道進(jìn)行補(bǔ)償優(yōu)化。相對(duì)而言，該類管道在運(yùn)行過(guò)程中承受的溫度應(yīng)力較大。在溫度超出20～23 ℃ 時(shí)，管道自身將無(wú)法承受熱脹冷縮受阻產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，而自然補(bǔ)償法可以有效緩解這一問(wèn)題。

針對(duì)管徑尺寸不低于 150 mm 的化工管道，其運(yùn)輸溫度的范圍較 100 mm 管徑的化工管道有所縮減。當(dāng)溫度超出 120 ℃ 且管道與空冷器存在連接情況時(shí)，設(shè)計(jì)人員則需要合理應(yīng)用自然補(bǔ)償法對(duì)管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以避免連接空冷器的材料因熱脹冷縮導(dǎo)致管道受損乃至斷裂[4]。

對(duì)于與壓力容器連接的化工管道以及具有 150 mm 以上管廊直徑的化工管道，設(shè)計(jì)人員需要針對(duì)性地采取自然補(bǔ)償措施。在運(yùn)輸過(guò)程中，若管道與壓力容器的連接部位未進(jìn)行補(bǔ)償處理，則大量應(yīng)力可以因熱脹冷縮的作用集中在管口部位，因此設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，對(duì)設(shè)備以及各機(jī)械部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，規(guī)避應(yīng)力對(duì)管道可靠性的影響。無(wú)論是針對(duì)何種對(duì)象，設(shè)計(jì)人員都需要在掌握各類自然補(bǔ)償方法的基礎(chǔ)上做好柔性分析計(jì)算工作，確保自然補(bǔ)償方法與所設(shè)計(jì)管道相互匹配，提升管道運(yùn)輸過(guò)程的可靠性。

4 化工管道設(shè)計(jì)中自然補(bǔ)償法的應(yīng)用要點(diǎn)

自然補(bǔ)償通?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)置不同彎頭的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)階段，常用的補(bǔ)償方法主要有L形直角彎補(bǔ)償法、Z型折角彎補(bǔ)償法，以及π形彎補(bǔ)償法。

4.1 L形直角彎自然補(bǔ)償設(shè)計(jì)

L形直角彎是化工管道自然補(bǔ)償設(shè)計(jì)的一種應(yīng)用類型。設(shè)計(jì)人員通過(guò)L形狀的彎頭與管道連接，起到補(bǔ)償所連接管道位移的作用，對(duì)緩解管道熱脹冷縮等問(wèn)題具有積極作用。L型彎頭的短臂長(zhǎng)度是設(shè)計(jì)人員需要重點(diǎn)計(jì)算分析的內(nèi)容，其長(zhǎng)度與長(zhǎng)臂的熱伸長(zhǎng)量ΔL以及管道外徑Dw數(shù)值有關(guān)，計(jì)算公式為1.1*(ΔL*Dw/300)1/2。為了確保L形彎頭短臂長(zhǎng)度的計(jì)算準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)人員需要充分考慮自支架、固定架或二臂導(dǎo)向架開(kāi)始管道受熱變形情況，確保所計(jì)算熱伸長(zhǎng)量的準(zhǔn)確性，避免在后續(xù)管道運(yùn)行期間出現(xiàn)L形直角彎無(wú)法滿足管道補(bǔ)償量的情況。

4.2 Z形折角彎自然補(bǔ)償設(shè)計(jì)

Z形折角彎比L形彎頭多了1處彎頭(如圖1所示)，具有更優(yōu)異的自然補(bǔ)償效果，其彎頭尺寸的計(jì)算難度較之L形彎頭更高。Z形折角彎的短臂長(zhǎng)度與兩根管(L2與L1)的熱伸長(zhǎng)量ΔL、管道的彈性模量E、管道外徑Dw以及彎曲應(yīng)力σbw有關(guān)，計(jì)算公式為L(zhǎng)={6ΔLEDw/107[σbw](1+1.2n)}1/2。其中，n的數(shù)值與L2以及L1有關(guān)，為(L2+L1)/L1。Z形折角彎能夠?qū)蓚€(gè)方向的位移應(yīng)力進(jìn)行補(bǔ)償：垂直臂可以對(duì)水平臂的變形應(yīng)力進(jìn)行補(bǔ)償，水平臂反之；而且隨著臂長(zhǎng)的增加，自然補(bǔ)償?shù)男Ч搽S之增加。

圖1 Z形折角彎自然補(bǔ)償示意圖(L2>L1)

4.3 π形彎自然補(bǔ)償設(shè)計(jì)

π形補(bǔ)償多用于位移量較大、對(duì)補(bǔ)償量要求較高的化工管道，其內(nèi)部彎頭通常為4個(gè)或6個(gè)，此類自然補(bǔ)償多用于立體空間布置的化工管道結(jié)構(gòu)中，避免大量彎頭對(duì)其他管道的穩(wěn)定性造成影響。

5 在化工管道設(shè)計(jì)中自然補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化策略

5.1 改善化工管道自身彈性度

化工管道設(shè)計(jì)人員需要通過(guò)自然補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)管道因外熱脹冷縮產(chǎn)生的位移量進(jìn)行補(bǔ)償。在應(yīng)用這一方法的同時(shí)也需要重視對(duì)管道自身材質(zhì)、結(jié)構(gòu)的改善，盡可能增強(qiáng)管道自身彈性度以強(qiáng)化自然補(bǔ)償?shù)男Ч鸞5]。調(diào)查表明，管道的尺寸、彈性模量、形狀等參數(shù)對(duì)其彈性度的大小具有一定影響，這需要設(shè)計(jì)人員結(jié)合實(shí)際需求做好相關(guān)仿真模擬工作。在滿足運(yùn)輸性能及成本需求的情況下，對(duì)管道的彈性度相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保所安裝管道在后續(xù)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中平穩(wěn)可靠。一般而言，平面管系可以通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)離固定點(diǎn)連線方向的管道長(zhǎng)度進(jìn)行延長(zhǎng)處理，從而提升管道的彈性；空間管系可以通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)離端點(diǎn)連線方向的管道長(zhǎng)度進(jìn)行延長(zhǎng)處理，從而提升管道的彈性。

5.2 適當(dāng)增加管道支架以強(qiáng)化自然補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用效果

現(xiàn)階段，大多數(shù)化工管道在應(yīng)用自然補(bǔ)償管道的同時(shí)也積極采取加裝管道支架的方式強(qiáng)化補(bǔ)充效果，多舉措并行以提升運(yùn)輸管道的運(yùn)行可靠度。在管道鋪設(shè)過(guò)程中，施工企業(yè)通常會(huì)通過(guò)合理布設(shè)彈性支架與固定支架的方式，對(duì)管道的位移量進(jìn)行限制，將原本極長(zhǎng)的管道化作一段段較短的管道，從而將管道所承受的熱應(yīng)力分散到局部，避免出現(xiàn)自然補(bǔ)償無(wú)法滿足管道位移需求的情況。針對(duì)支架裝設(shè)工作，設(shè)計(jì)人員通常需要通過(guò)計(jì)算確定管道各點(diǎn)承受的應(yīng)力情況，在施工圖紙中標(biāo)注適宜安裝支架的最大應(yīng)力點(diǎn)位，從而進(jìn)一步強(qiáng)化支架的應(yīng)力分散效果，避免后續(xù)出現(xiàn)支架斷裂、管道補(bǔ)償無(wú)法滿足位移需求的情況。

在選擇支架固定點(diǎn)位的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要明確適宜的點(diǎn)位，以對(duì)自然補(bǔ)償效果起到促進(jìn)作用。固定點(diǎn)的選取，需要基于對(duì)管道多方向位移進(jìn)行限制、承受沖擊載荷、承受振動(dòng)載荷的目的進(jìn)行合理選擇；同時(shí)也需要考慮固定支架安裝后管道滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力，避免出現(xiàn)支架彎折等問(wèn)題；還需要盡可能避免分支管系出現(xiàn)較大的變形位移量。對(duì)于π型補(bǔ)償，設(shè)計(jì)人員需要將其設(shè)置于支架中間區(qū)域，以避免該補(bǔ)償裝置與支架間距低于兩支架間距的1/3。

5.3 改變?cè)O(shè)備布置

在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員通常需要通過(guò)研究自然補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案的方式解決化工管道的應(yīng)力超標(biāo)問(wèn)題。在自然補(bǔ)償效果難以滿足管道運(yùn)輸需求的情況下，工作人員需要積極利用變更管道走向、裝設(shè)支架等方式緩解自然補(bǔ)償壓力，若依舊無(wú)法滿足運(yùn)行需求，則需要采取改變管道布置的方式確保管道的運(yùn)行可靠性。

5.4 在設(shè)計(jì)中采用自然補(bǔ)償需要考慮的其他因素

在應(yīng)用自然補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要注意避免影響管道對(duì)稱布置等基本工藝要求，注意結(jié)合實(shí)際情況對(duì)支架機(jī)械能合理布置，以此來(lái)強(qiáng)化自然補(bǔ)償?shù)男Ч?；自然補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)也需要考慮其他專業(yè)工作及配管設(shè)計(jì)等可能受到的影響，做好最優(yōu)方案的模擬仿真和相關(guān)計(jì)算工作；設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合建設(shè)成本等因素合理應(yīng)用自然補(bǔ)償法，避免因?yàn)E用自然補(bǔ)償導(dǎo)致化工管道整體出現(xiàn)失穩(wěn)情況；不同管系的受力情況有所不同，設(shè)計(jì)人員需要考慮兩相流管系、振動(dòng)管系等不同管道類型對(duì)自然補(bǔ)償效果的影響，避免因此出現(xiàn)管道振動(dòng)加劇等情況。

6 結(jié)語(yǔ)

化工管道承擔(dān)著各行業(yè)流體的運(yùn)輸任務(wù)，其結(jié)構(gòu)性能的可靠性關(guān)系到運(yùn)輸過(guò)程是否平穩(wěn)有序，對(duì)相關(guān)行業(yè)的安全平穩(wěn)發(fā)展具有重要意義。針對(duì)化工管道運(yùn)行過(guò)程中承受的各種應(yīng)力，如熱脹冷縮帶來(lái)的位移應(yīng)力、振動(dòng)載荷、重力及壓力載荷等，管道設(shè)計(jì)人員需要合理應(yīng)用自然補(bǔ)償手段，通過(guò)L形直角彎、π形彎、Z形折角彎等各種形式的結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償管道所承受的應(yīng)力。在具體應(yīng)用過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員也需要綜合考慮多方面的因素，做好各類自然補(bǔ)償彎頭尺寸的計(jì)算工作，同時(shí)應(yīng)采取支架安裝、改善管道彈性、優(yōu)化布置等方式強(qiáng)化補(bǔ)償效果，以確保化工管道的可靠運(yùn)行。