臧金金

中化二建集團有限公司 山西太原 030021

在化工設計中，管道設計起著舉足輕重的作用，其設計水平直接關系到項目的建設投資和建成投產后能否長期、高效、平穩(wěn)的運行。在管道設計中，會用到各種管道材料，大部分是鋼材等金屬材料。金屬材料會隨著溫度的變化而產生熱位移，而根據(jù)熱位移的計算公式[1]可知，管道的熱位移與管道的長度和溫度成正比。

管道柔性是反映管道形變難易程度的一個物理概念，表示管道通過自身形變吸收熱脹冷縮和其他位移形變的能力。在外管設計中，管道一般都有很長的直管段，從而產生較大的伸縮量。為了維持管道系統(tǒng)在運行過程中的穩(wěn)定和安全，需要通過適當?shù)娜嵝栽O計，將管道的位移和管道應力控制在一定范圍之內。一般采用以下一種或幾種措施來增加管道的柔性[2]：改變管道的走向；選用各種補償器，如π 形補償器、波紋補償器和旋轉補償器等；調整支吊架的位置和形式。

1 管道設計中常用的熱補償方式

當將管道兩頭固定后，由于熱脹冷縮管道會有一個熱變形的趨勢，從而對固定點產生推力（或拉力）。這種力屬于二次應力，當其超過一定的值后，會造成管道連接部位發(fā)生泄漏，甚至由于金屬疲勞引起管道破壞等。因此，在實際配管過程中，需要想辦法將二次應力控制在一定范圍之內，以保證管道運行的安全[2]。減小二次應力的方法就是增大管道的柔性。一般通過自然補償和增設補償器的方法來增加管道的柔性。

1.1 自然補償

管道的自然補償就是管道走向按照具體的情況呈各種彎曲形狀，利用這種自然的彎曲形狀所具有的柔性補償管道自身的熱膨脹和端點位移。自然補償?shù)奶攸c是構造簡單、運行可靠、投資少。在自然補償中，常見的是L 形直角彎自然補償和Z 形折彎自然補償。

一般來說，增加管道自然補償能力的方法有以下幾種：改變管道的走向，以增加整個管道的柔性；調整支吊架的形式與位置；改變設備的布置。

1.2 補償器補償

在通過應力計算后，若發(fā)現(xiàn)自然補償無法滿足管道熱補償要求，必須增設補償器來對管道進行熱補償。常用的補償器有三種，即π 形補償器、波紋補償器和旋轉補償器[3-4]。其中，π 形補償器是在管道設計中最常見的一種補償器，波紋補償器主要用于焦爐煤氣等低壓大口徑管道，旋轉補償器主要用于蒸汽管道的熱補償。

1.2.1 π 形補償器

π 形補償器又稱為π 彎、方形補償器，是管道設計中最常用的補償器形式。一般有平面式π 形補償器和立體式π 形補償器兩種形式。

一般來說，兩固定點之間設置成立體式π 形補償比平面式π 形補償器的補償能力要好，而且不影響管廊上其他管道的走向。π 形補償器甩出去的臂長可以通過應力計算手冊查閱得到，也可以通過應力計算分析得到。

1.2.2 波紋補償器

波紋補償器是用3～4mm 厚的金屬薄片制成，利用金屬的本身彈性伸縮來吸收管線的熱膨脹。波紋補償器的優(yōu)點是是體積小、結構嚴密。由于結構原因，這種補償器的補償能力有限，且僅用在內壓小于0.7MPa 的管道上。在設計中，波紋補償器多用于焦爐煤氣等大口徑的低壓或常壓管道中。

1.2.3 旋轉補償器

旋轉補償器即通過成雙旋轉筒和力臂形成力偶，使大小相等、方向相反的一對力由力臂回繞著軸中心旋轉，以吸收力偶兩邊熱管邊產生的熱脹量。由于其補償量大，可用于蒸汽管道的熱補償。旋轉補償器都是成對出現(xiàn)的。圖1 為常見的兩種旋轉補償器布置方式，圖2 為新疆某煤制天然氣項目現(xiàn)場使用旋轉補償器的蒸汽管線，圖中畫圈部分是一組旋轉補償器。

圖2 新疆某煤制天然氣項目采用旋轉補償器的蒸汽管線

2 長距離輸送蒸汽管道補償方式的選用

新疆某污水處理場項目，自總體院鍋爐房產出的高壓蒸汽，經減溫減壓后，送至污水處理場的氨回收和酚回收裝置。汽量為190t/ h。與總體院接點位置處蒸汽的操作壓力為3.7MPa，操作溫度為280℃，用汽點氨回收裝置要求蒸汽品質為不低于3.4MPa 的飽和蒸汽（243℃）。用汽點距離總體院接點位置直線距離850m 左右。

2.1 管徑的選擇

對于1M～4MPa 的飽和蒸汽，經濟流速為20～40m/ s，選定流速為30m/ s。對于3.7MPa、280℃的蒸汽，其密度為16.9kg/ m3。計算所需管徑，見式（1）。

由式（1）的計算結果，初選管徑為DN400 適宜。

2.2 補償器的選擇

對于這種長距離輸送的蒸汽管道，采用常規(guī)自然補償無法通過應力校核，必須增設補償器。對于化工項目，常規(guī)做法是增設π 彎。由于本項目來汽點和用汽點距離較遠，且中間沒有別的用戶。因此，考慮采用旋轉補償器進行熱補償。為此，對該管系采用兩種補償方式進行比較。

2.2.1 π 型補償器的設置

該污水處理場項目，中壓蒸汽沿著管廊從A 點輸送到E 點（用汽點），其中A—B 段長120m，B—C 段470m，C—D 段104m，D—E 段147m。整個場地高差很小，只有1.5～2m 的3 個臺階高差。設置立體型π 形補償器，需每40～50m 做1 組補償器，每組補償器補償能力為130～150mm 的熱伸縮量。每個π 彎的立管高2.5m，伸出去的長臂長度約為7m。補償器之間的固定點設置四方限位支架，其余均采用滑動支架，滑動支架底板長度450mm。每組補償器之間的低點需設置疏水，排出運行時蒸汽管網中的凝結水。

經計算，在A—B 段需做3 組補償器；B—C 段做9組補償器；C—D 段做2 組補償器；D—E 段做3 組補償器，一共需要17 組補償器。每組π 型補償器需6 個彎頭、19m 直管段，17 組補償器共需102 個彎頭、323m 直管段。計算整條管線，一共需要彎頭115 個、直管段1265m。

2.2.2 旋轉補償器的設置

若用旋轉補償器，按圖1 中型式一的布置方式，每100m 左右設置1 組旋轉補償器，每組補償器的補償量為300mm 左右。每組補償器需4 個彎頭，立管2.5m 高，中間水平直管段5m，單個補償器需直管段10m。補償器在安裝時，可以通過對補償器預偏裝，增大實際補償量。補償器之間的固定點設置四方限位支架，其余均采用滑動支架。由于旋轉補償器的補償量大，靠近補償器處的滑動支架底板長度應根據(jù)實際位移進行加長和偏裝。根據(jù)計算，本項目最長的滑動管托長度為800mm。每組補償器之間的低點設置疏水，由于中間水平管道較長，疏水量比π彎低點疏水量大，大約為π 彎疏水閥計算疏水量的2 倍。

根據(jù)布置，旋轉補償器需在B 點處加一組補償器；B—C 處做三組補償器；D 處做一組補償器；D—E 處做一組補償器，共6 組補償器。6 組補償器共需24 個彎頭，60m 直管段。整條管線需要直管段1002m，彎頭39 個。

2.2.3 對比分析

本項目經詢價，每個旋轉補償器價格為16000 元，彎頭價格約1100 元，每米管道長度約900 元。綜合評價，π型補償器和旋轉補償器的對比結果見表1。

表1 π 形補償器與旋轉補償器對比表

（1）使用傳統(tǒng)π 彎作為補償器，整個管線造價約為126.5 萬元；選用旋轉補償后，整個管線造價約為113.7萬元，整體投資費更低。

（2）DN400 的彎頭，計算阻力降時，當量長度為6.1m。經軟件計算，并考慮10%的不可預見阻力和安全系數(shù)，使用π 型補償器的方案，管道阻力降為379kPa；使用旋轉補償器的方案，管道阻力降為233kPa，管線的壓降損失減小了57.2%（以旋轉補償器方案為基數(shù)）。

（3）按照π 型補償器，用汽點處壓力為3.33MPa，無法滿足用汽點壓力要求。因此，最終選擇用旋轉補償器作為蒸汽管道熱補償方式。

（4）若用增加管徑的方式來減小壓降損失，會造成整個項目的投資費增加。同時，管徑的增加，會增加管道與周圍環(huán)境的接觸面積，散熱量增大，溫降增大，會造成運行費用增加、能源的浪費。

2.2.4 旋轉補償器設置時的注意事項

（1）在設計前，需根據(jù)介質特性、溫度、壓力選用合適的旋轉補償器。補償器最好選用鍛造的，以保證質量。

（2）在布管時應先布置帶旋轉補償器的管線。因在設置旋轉補償器的位置管道走向會有變化，所以在管道布置時需先布置該管道，以滿足應力計算要求。

（3）管托應使用帶襯四氟墊板的管托，以減少管道與管廊間的摩擦力；靠近補償器的位置不可設置導向管托限制管道側向位移；管托長度需根據(jù)管道熱位移計算，防止管托由于位移量過大從橫梁上掉下。

（4）為了增加補償器補償能力、減少管道側向位移，在安裝旋轉補償器時應向管道熱位移的反方向進行一定的預偏裝。

（5）對于長距離輸送的蒸汽管道，如果管架上只有這一根蒸汽管道，可以按圖3 所示進行布置，這樣整條線路總體在一條直線上，更加美觀。

圖3 單根蒸汽管道的旋轉補償器布置方式

（6）實際運行時，需定期檢查旋轉補償器的填料圈，防止發(fā)生泄漏事故。

3 結論

管道設計中，滿足應力設計要求必不可少。而減小介質輸送過程中的能量損失，也是必須考慮的。對于長距離輸送的蒸汽管道，選用旋轉補償器是一種很好的補償方式，可以在滿足柔性設計的前提下，同時減小管系的阻力降，滿足用戶使用要求。但需注意，選用旋轉補償器必須對靠近補償器的滑動管托長度加長和預偏裝，防止運行時管道熱膨脹，以致將管托推到管架梁下。