符瑋佳

華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

隨著石油化工及煤化工生產(chǎn)裝置規(guī)模的逐步擴(kuò)大，外管廊上高溫、大尺寸管道屢見不鮮，這類管道因管徑或壁厚較大，在進(jìn)行管道布置時若考慮不周，不僅管系的穩(wěn)定性差，往往也會對管廊固定點產(chǎn)生較大的推力，最終造成結(jié)構(gòu)設(shè)計困難,管廊柱尺寸巨大,比例失調(diào),影響美觀。如何減小管道對管廊的推力已經(jīng)成為管廊設(shè)計中需要重點考慮的一項內(nèi)容。

根據(jù)《化工工程管架、管墩設(shè)計規(guī)范》GB 51019-2014中4.3.1條所述，當(dāng)活動管架(不包括支承有振動管道的管架和跨越式管架)所支承的管道符合下列條件之一時，可忽略水平推力：①常溫管道，介質(zhì)的溫度不超過40℃；②管道根數(shù)在10根以上，且最高溫度低于130℃；③主要熱管道重量與全部管道重量之比小于0.15。因此，本文主要以高溫火炬、蒸汽管線為例，探討幾種在外管設(shè)計中常見的減小固定點推力的方法。

1 減小固定點推力常用方法

目前在進(jìn)行管廊設(shè)計時，通常會提前規(guī)劃火炬及主要蒸汽管線的布置，其中，采用低摩擦滑動管托，以及通過方形補(bǔ)償器來減小管道對固定點推力的方法在設(shè)計中都比較常見。此外，蒸汽管線還能通過設(shè)置旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器、冷緊等方法來降低其對管廊固定點的推力。

1.1 方形補(bǔ)償器

方形補(bǔ)償器適用范圍廣、制造簡單方便、安裝方向靈活,既可以在水平方向進(jìn)行安裝，又可以設(shè)置在垂直方向，有較大的補(bǔ)償能力。通過彎頭變形吸收管道自身所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，從而降低管道對固定點的推力。其運(yùn)行可靠，使用期限等于管道使用年限，且不需要設(shè)置檢修平臺。缺點是對空間要求比較大，設(shè)置在大尺寸蒸汽管道上的立體方形補(bǔ)償器(見圖1)，需要考慮上翻或下翻彎頭所占用的空間，往往對管廊層間距要求苛刻。而火炬管線為避免液袋，常采用平面方形補(bǔ)償器(見圖2)，且一般都需要在管廊外立柱子支撐，尤其是在大型煤化工項目中，多根火炬管道共架敷設(shè)放在同一層，管道兩端固定點推力大，對結(jié)構(gòu)要求高。

圖1 立體方形補(bǔ)償器

圖2 平面方形補(bǔ)償器

在滿足管線應(yīng)力的基礎(chǔ)上，增加方形補(bǔ)償器的外伸臂長度在一定程度內(nèi)可有效減小管道對兩端固定點的推力。在管道設(shè)計中，一般優(yōu)先考慮采用該方法來減小管線推力到一個理想值或者所能達(dá)到的極限值。

1.2 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器常用于蒸汽管道。它不但可以補(bǔ)償長距離直線管段，也能利用管道的自然轉(zhuǎn)角、高差等實現(xiàn)補(bǔ)償，具有補(bǔ)償量大、布置靈活、耐高壓、無內(nèi)壓推力等優(yōu)點。與其他補(bǔ)償器相比，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器大大減小了管道對固定點的推力，減少了管道上固定支架的設(shè)置數(shù)量，降低了工程造價；同時，也能夠改善管系的應(yīng)力情況，增加管系運(yùn)行的安全性，具有優(yōu)越的性能[1]。旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器兩端附近均設(shè)置彎頭，管廊層間距應(yīng)滿足配管需求，再者因其允許的熱變形位移量大，也需在變形方向預(yù)留較大的空間。對于位移量較大的位置，還要考慮管托加長或偏裝。

本著安全、經(jīng)濟(jì)、合理的原則，部分高溫、大尺寸蒸汽管線采用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器(見圖3)，避免了管線因膨脹量過大，方形補(bǔ)償器密集，或固定點受力過大的現(xiàn)象。對于火炬管線，考慮到坡度設(shè)計困難且物料成分復(fù)雜，故不建議使用。

圖3 蒸汽管線上使用的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器

1.3 管道冷緊

冷緊是在管道設(shè)計時預(yù)先使管道變形，使之產(chǎn)生所要求的初始位移和應(yīng)力，以平衡初始位移和最終位移狀態(tài)下的應(yīng)力值。通過冷緊，使管道在冷態(tài)下承受一定的拉力，以抵消管道熱膨脹的位移，降低管道在初期運(yùn)行工作狀態(tài)下的熱脹應(yīng)力和對固定點的推力。

當(dāng)冷緊值取管道由冷態(tài)至操作溫度的膨脹量的一半時，冷態(tài)和熱態(tài)的荷載相同。隨著溫度的升高，管道由于冷緊而產(chǎn)生的拉應(yīng)力經(jīng)過無應(yīng)力狀態(tài)至壓應(yīng)力狀態(tài)，冷態(tài)和熱態(tài)各只有一半的荷載作用在固定點上?！峨姀S動力管道設(shè)計規(guī)范》GB 50764-2012中9.5.2規(guī)定，設(shè)計溫度在430℃及以上的管道宜進(jìn)行冷緊，冷緊比不宜小于0.7；當(dāng)需要減小管道在工作狀態(tài)下對設(shè)備的推力和力矩時，可進(jìn)行冷緊。冷緊有效系數(shù)，對工作狀態(tài)取2/3.對冷狀態(tài)取1。

冷態(tài)時，固定點受力取下者中較大值

熱態(tài)時固定點受力

式中，γ為冷緊比；F為按全位移量和常溫下鋼材彈性模量計算的對固定點的作用力；E為鋼材常溫下的彈性模量；Eh為鋼材熱態(tài)時的彈性模量；σh為鋼材熱態(tài)時的基本許用應(yīng)力；σf為按全位移量和常溫下鋼材彈性模量計算的管道熱脹許用應(yīng)力范圍，σf=f(1.25σc+0.25σh)；σc為鋼材冷態(tài)基本許用應(yīng)力；f為交變次數(shù)的應(yīng)力降低系數(shù)[2]。

外管設(shè)計中，管道冷緊常與方形補(bǔ)償器相結(jié)合。對于高溫蒸汽管道，當(dāng)使用方形補(bǔ)償器且膨脹量較大時，可考慮通過冷緊吸收熱位移，同時也在一定程度上降低了管線對固定點的推力。通過合理的設(shè)計計算，管道冷緊并無太大的缺點，但隨著管徑的增大，預(yù)制過程愈加困難。

1.4 低摩擦滑動管托的選用

隨著管徑、壁厚的增大，管道的摩擦力對固定點的影響愈發(fā)的明顯。管道摩擦力

P=μqL

式中，P為管道摩擦力，N；μ為管托與管架摩擦系數(shù)；q為管道單位長度的設(shè)計荷重，N/m；L為管道長度，m。

根據(jù)上述公式可以得出，通過減小管托與管架的摩擦系數(shù)可降低管道的摩擦力。減小摩擦系數(shù)的一般做法是選用低摩擦滑動管托，原理是在管托底部增加聚四氟乙烯板或聚四氟乙烯板與鏡面不銹鋼板組成滑動摩擦副。在應(yīng)力計算時，普通滑動管托摩擦系數(shù)通常取0.3，增加了摩擦副后可按0.1考慮。

對于大尺寸高溫火炬管道來說，選用低摩擦滑動管托減小其對固定點的推力具有一定的必要性。近年的大型煤化工、石化項目中，越來越多的大尺寸、高溫蒸汽與熱火炬管道選擇使用低摩擦滑動管托，這也是未來的發(fā)展方向。

1.5 大拉桿橫向型波紋補(bǔ)償器

大拉桿橫向型補(bǔ)償器是由兩個相同的波紋管及端管、端板和拉桿組成的撓性部件。通過波紋管的角偏轉(zhuǎn)可吸收管道的橫向位移。

當(dāng)縱向管段的內(nèi)壓推力使兩側(cè)直管段縱向伸長時，大拉桿承受內(nèi)壓推力起固定作用，避免補(bǔ)償器的波紋軟管伸長拉破。這時，補(bǔ)償器的中間管段和波紋管不承受內(nèi)壓軸向力。當(dāng)橫管段因溫度變化或因內(nèi)壓推力產(chǎn)生位移時，大拉桿組成的矩形結(jié)構(gòu)可以作為平行四邊形變形，這時補(bǔ)償器兩端波紋管發(fā)生相反的變形，使橫管段在橫向自由位移，吸收了應(yīng)力(見圖4)[3]。

圖4 大拉桿橫向型波紋補(bǔ)償器工作原理示意圖

大拉桿橫向型波紋補(bǔ)償器具有結(jié)構(gòu)簡單、補(bǔ)償能力強(qiáng)、可吸收各方向橫向熱膨脹、無橫向內(nèi)壓推力等優(yōu)點。在外管設(shè)計中，采用該補(bǔ)償器可有效地減小管道對固定點的推力，通常在L彎處使用。

目前火炬管線是否能使用波紋補(bǔ)償器尚存在爭議，根據(jù)《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》SH 3009-2013，7.2.1條文解釋可以看出，改造項目不完全否定這種可能。火炬管道使用波紋補(bǔ)償器的問題在于風(fēng)險，當(dāng)管道存在積液時，它極易損壞。國內(nèi)曾發(fā)生過幾起因波紋補(bǔ)償器引起的火炬氣排放管道失穩(wěn)脫架、斷裂事故。目前也不乏有些在火炬管道上設(shè)置波紋補(bǔ)償器且運(yùn)行狀態(tài)良好的項目，但是能否常規(guī)使用還有待于觀望。可以說設(shè)計合理、施工規(guī)范、產(chǎn)品自身質(zhì)量好，波紋補(bǔ)償器的使用壽命相對較長，如果不能保證，勿要冒風(fēng)險隨意選用。

1.6 其它方法

除了上述方法外，在設(shè)計時首先還要考慮錯開管道固定點的位置，減少不同管道集中對某固定柱的推力。其次，通過固定點兩側(cè)管道的對稱布置也能抵消對中間固定點的大部分推力。另外非火炬、且有較大推力的管道可根據(jù)實際情況，選擇布置在管廊較低層，從而減小推力帶來的彎矩效應(yīng)，起到優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計的作用。再者可通過將推力大的管線與推力小、重量大的管線布置在同一層，增大牽制力，從而減小固定點的整體推力。

L彎處的固定點一般是管廊上受力比較大的位置。當(dāng)固定點位置確定時，L彎對固定點的推力一定，有時可通過增大固定點另一側(cè)推力來抵消部分L彎造成的推力。如圖5，L彎長臂L1對固定點A向左的推力大，可縮短A點左側(cè)方形補(bǔ)償器的外伸臂長，增大左側(cè)管線對A點向右的推力，左右兩方向推力的合力減小，即整體上減小了該點的推力。

圖5 L彎處固定點

2 工程實例分析

某煤化工改造項目局部南北向老管廊3m寬，現(xiàn)考慮加層。部分新增管線由該管廊南端送入，經(jīng)此管廊送至各裝置，管線參數(shù)見表1。

表1 新增管線參數(shù)

由于火炬、蒸汽管線熱位移較大，中途需考慮熱補(bǔ)償，綜合計算后，取中間段92m長做一組補(bǔ)償(南側(cè)固定柱A，北側(cè)固定柱B)，其余兩端自由膨脹。由于B柱的南北兩側(cè)均有大量管線接入管廊西側(cè)氣柜，導(dǎo)致此處無法做斜撐加固管架，經(jīng)結(jié)構(gòu)專業(yè)核算，要求盡量將此處新增軸向推力降至2t(約19600N)以下，側(cè)向推力小于1t(約9800N)，以滿足原有管架的推力要求。

2.1 初步方案

2.1.1 加壓煤氣、火炬管線布置思路

因PG和NF管線有坡度要求，不允許有液袋，且PG管線在B柱北側(cè)接入管廊西側(cè)氣柜，火炬管線在B柱北側(cè)30米處向東送至老廠火炬，決定將PG管線布置在NF西側(cè)。PG管線溫度不高，可只在A柱固定，B柱附近自由膨脹。

NF管線在A、B柱固定，做一組方向補(bǔ)償器即可解決熱膨脹問題。由于管廊寬度較窄，不能滿足補(bǔ)償器外翻的支撐要求，需要在管廊東側(cè)靠近AB柱中間的位置增加柱子支撐。通過手算熱膨脹量，查補(bǔ)償線算圖以及現(xiàn)場地管位置，確定管架外伸6.5m。

2.1.2 蒸汽管線布置思路

以A、B柱為固定點，粗算LPS1管線92m膨脹量約為200mm，考慮跟火炬管線一同做一組方形補(bǔ)償器，B柱北側(cè)自由膨脹。

2.1.3 固定點推力計算

綜合上述考慮， PG管線對固定點的推力可忽略，通過CAESAR II軟件分別計算NF、LPS1管線在B柱的受力情況，結(jié)果見表2。此處軸向力以向北為正，側(cè)向力以向西為正。

表2 初步應(yīng)力計算結(jié)果 (N)

結(jié)論：側(cè)向推力小于9800N滿足結(jié)構(gòu)要求，軸向推力大于19600N不滿足要求。

2.2 方案優(yōu)化

2.2.1 增加方形補(bǔ)償器外伸臂長

優(yōu)化：在滿足支撐的前提下，將NF管線補(bǔ)償器外伸臂長增加1.5m，LPS1增加2m。B柱管線應(yīng)力計算結(jié)果見表3。

表3 增加方形補(bǔ)償器外伸臂長后的應(yīng)力計算結(jié)果 (N)

結(jié)論：側(cè)向推力滿足結(jié)構(gòu)要求，軸向推力減小，但依然不滿足要求。

2.2.2 火炬管線采用低摩擦滑動管托

B柱管線應(yīng)力計算結(jié)果見表4。

表4 火炬管線采用低摩擦滑動管托后的應(yīng)力計算結(jié)果 (N)

結(jié)論：推力基本滿足結(jié)構(gòu)要求。

2.2.3 蒸汽管線采用冷緊

優(yōu)化：在蒸汽方形補(bǔ)償器兩側(cè)進(jìn)行冷緊。冷緊比選用0.7。B柱管線應(yīng)力計算結(jié)果見表5。

表5 蒸汽管線冷緊后的應(yīng)力計算結(jié)果 (N)

結(jié)果：推力滿足結(jié)構(gòu)要求，且有余量。

2.3 結(jié)果討論

根據(jù)第一次應(yīng)力計算結(jié)果可以看出，火炬管線自身的推力就已經(jīng)超出了要求，所以,本問題的關(guān)鍵點在于如何降低火炬管線的推力。通過加長方形補(bǔ)償器外伸臂以及采用低摩擦滑動管托的方法就能使火炬管線推力降至2t以下。而蒸汽管線還可通過冷緊，進(jìn)一步降低對固定點的推力，使總推力明顯小于要求值，增大結(jié)構(gòu)的富余量。

通過調(diào)整方形補(bǔ)償器的尺寸來改變固定點受力是一種比較簡便、經(jīng)濟(jì)的方法，在設(shè)計中通常優(yōu)先考慮。除上述方法之外，也可嘗試減小蒸汽管線固定點間距、使用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器等方法。若均不能滿足要求，則需考慮改變管廊方案，將新增的東側(cè)柱子改至西側(cè)。因為西側(cè)有較大空間，允許火炬管線補(bǔ)償器外伸臂伸的更長，但此時需要煤氣管線一同翻出，所以不做第一方案考慮。

3 結(jié)語

在新建項目中，外管廊固定點推力一般都滿足設(shè)計要求，但因在設(shè)計初期，受上游條件制約，配管研究、管架布置考慮得并不全面，固定柱受力大小考慮得比較保守，后期可能在經(jīng)應(yīng)力復(fù)核后，需要不斷修改管道布置，才能滿足結(jié)構(gòu)受力要求。本文旨在提供一些思路，能在設(shè)計初期多考慮，合理優(yōu)化配管。而一些老廠改造項目中，固定點推力不夠的問題就顯得比較突出，這時往往需要采用一種或多種方法組合來解決管道推力超出問題。但具體采用哪種方法則要根據(jù)實際情況，如管道特性、空間、業(yè)主要求等來決定。