馬大博(東洋工程(上海)有限公司 200122)

前言

蒸汽管道在化工裝置用于輸送飽和蒸汽和過熱蒸汽，自身的溫度和壓力通常較高。一般化工裝置的蒸汽管道大多是架空敷設(shè)，很少有管溝敷設(shè)，不應(yīng)埋地敷設(shè)。為了使管道在工作狀態(tài)下能夠穩(wěn)定安全的工作，在設(shè)計(jì)管道時(shí)需要考慮管道受熱時(shí)的熱膨脹量，盡量減小管道因溫度升高而產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)管道造成破壞。為了減少這個(gè)溫差應(yīng)力對(duì)于管道帶來的影響，就要考慮到補(bǔ)償?shù)膯栴}。

管道熱膨脹量的計(jì)算公式如下：

其中：ΔL?—熱膨脹量(mm)

α?—熱膨脹系數(shù) mm/m℃(碳鋼取0.012)

T2?—設(shè)計(jì)溫度 ℃

T1?—基準(zhǔn)溫度或環(huán)境溫度 ℃(一般取20℃)

L—管道長度(m)

一、蒸汽管道的補(bǔ)償原則

蒸汽管道補(bǔ)償?shù)姆绞接袃煞N，分別為利用管道自身彎曲的自然補(bǔ)償和使用補(bǔ)償器補(bǔ)償。在進(jìn)行管道的自然補(bǔ)償設(shè)計(jì)的時(shí)候，一定要遵循以下的幾點(diǎn)設(shè)計(jì)原則：

1.從管道布置上考慮，這就要求在進(jìn)行蒸汽管道自然補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)的時(shí)候，考慮到整個(gè)蒸汽管道的柔性，看看是否能夠利用管道進(jìn)行自然的補(bǔ)償

2.管道的冷緊上考慮，這樣就要求我們?cè)趯?duì)于蒸汽管道進(jìn)行自然補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候，需要考慮到管道是在低溫的情況下，還是在高溫的熱力情況下進(jìn)行的。這樣能夠根據(jù)實(shí)際的分析對(duì)管道進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

3.如果上述兩種方法都不能夠滿足管道的補(bǔ)償?shù)脑挘敲淳托枰捎醚a(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償。

另外當(dāng)彎管轉(zhuǎn)角小于150°時(shí)，能用作自然補(bǔ)償，大于150°時(shí)，不能采用自然補(bǔ)償。

選用自然補(bǔ)償是否滿足要求，可以用下面的公式判斷：

其中：D——管道外徑(cm)

Δ——管道的補(bǔ)償量(cm)

L——管道展開總長度(m)

U——兩固定點(diǎn)間的距離(m)

上述公式使用條件：1)單根管道，無變徑。2)兩端必須固定。3)中間無限位支架。4)無分支管。

若計(jì)算后滿足此公式，說明管道安全。

二、蒸汽管道自然補(bǔ)償

蒸汽管道的自然補(bǔ)償就是利用管道中的彎曲部分的撓曲，來進(jìn)行管道補(bǔ)償?shù)奈灰?。在進(jìn)行管道的自然補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候，從管道的彎曲程度常分為L型直角彎，Z字形折角彎及空間立體彎。下面簡單的介紹常用的幾種補(bǔ)償方式。

1.L型直角彎

對(duì)于L型布置的管道長臂一般控制在20～25m以內(nèi)，最長不要超過30m。并且彎曲應(yīng)力不應(yīng)超過80Mpa。

對(duì)于L型布置的管道，短臂最小長度按以下公式計(jì)算：

L2min—“L”型布置短臂最小長度(m)

ΔL—長臂L1的熱膨脹量 (mm)

Do—管道外徑 (mm)

2.平面Π彎

(1)由于蒸汽管道通常敷設(shè)在管廊和管墩上，所以設(shè)置Π型補(bǔ)償器是最常見的一種補(bǔ)償。它相當(dāng)于L型直角彎和Z字形折角彎的組合。Π型補(bǔ)償器最好布置在兩固定支架的中心位置，但通常很難做到這一點(diǎn)，在此情況下，一般控制在兩固定支架在1/3～2/3之間。超出此范圍管道應(yīng)力會(huì)急劇上升，管道穩(wěn)定性也差。

Π型補(bǔ)償器兩個(gè)固定架間距沒有具體的規(guī)定，一般來說，裝置內(nèi)取30~40m，這與設(shè)備之間引出的管線位置和設(shè)備之間距離有關(guān)，還與固定點(diǎn)中間的立體方型補(bǔ)償器外伸臂的長度有關(guān)，外伸臂過長是否影響設(shè)備及管線布置，外伸臂能否利用小梁加門型架支承，而不另立就地生根支架，這就要求外伸臂不要太長，所以限制了固定點(diǎn)的距離。裝置外管廊固定點(diǎn)的距離50~120m，一般為50~60m左右。一般來說管徑大、溫度高，間距小一點(diǎn)；管徑小、溫度低，間距可適當(dāng)在大一點(diǎn)，但不可太大，否則會(huì)造成管道失穩(wěn)。另外，對(duì)于有坡度的管道，沿高(H)的管道是不設(shè)坡度的。

(2)平面Π型補(bǔ)償器第一個(gè)導(dǎo)向架位置

Π型補(bǔ)償器第一個(gè)導(dǎo)向架應(yīng)距彎頭40Dn(管道的公稱直徑)，以防止彎頭處彎曲應(yīng)力過大。彎頭與三通都是管道上應(yīng)力容易集中的部件，管道一旦出現(xiàn)問題大多發(fā)生在應(yīng)力集中之處。

(3)平面布置Π型補(bǔ)償器的寬(W)與高(H)的確定

根據(jù)蒸汽管道兩個(gè)固定點(diǎn)間的距離計(jì)算出需要的補(bǔ)償量,再通過《石油化工管道安裝設(shè)計(jì)便查手冊(cè)》第七章第四節(jié)中Π型補(bǔ)償器線算圖選擇合適的寬(W)與高(H)以及管道對(duì)固定點(diǎn)的推力,并把此推力提供給結(jié)構(gòu)專業(yè)對(duì)固定點(diǎn)的支撐進(jìn)行校核.

3.空間立體彎

空間立體彎是指立體布置Π型補(bǔ)償器，相比較平面Π型補(bǔ)償器而言，立體布置Π型補(bǔ)償器布置靈活，更適用于管廊上多根管道需要自然補(bǔ)償?shù)那闆r。為了管廊外觀看起來美觀以及便于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)支架(主要是承受水平力)，Π型補(bǔ)償器宜集中布置。如果需要熱(冷)補(bǔ)償?shù)墓艿垒^多(4根以上)，Π型補(bǔ)償器可分為兩邊布置。水平推力大的、管徑大的宜靠柱布置，最好兩柱受力相當(dāng)，這樣有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。常溫管道、管徑小的放在中間。

下圖為Π型補(bǔ)償器立體互嵌布置，

三、管道自然補(bǔ)償?shù)呐c補(bǔ)償器補(bǔ)償?shù)膶?duì)比

補(bǔ)償器是一種設(shè)置在管道上，為了吸收管道產(chǎn)生的熱脹冷縮以及位移的一種元件，在蒸汽管道中，我們一般會(huì)采用四種形式的補(bǔ)償器。第一種是方形的補(bǔ)償器，它主要就是利用彎管的彈性來對(duì)于管道因?yàn)槌霈F(xiàn)熱變形進(jìn)行吸收的，從它工作的原理上來看，方形的補(bǔ)償器主要句式屬于對(duì)于管道彈性的一種熱補(bǔ)償。它的主要優(yōu)點(diǎn)就是制作比較簡單、安裝起來比較方便，使用起來安全可靠，而且不需要經(jīng)常的進(jìn)行維修處理。但是它對(duì)于空間的占用是比較大的，而且還影響美觀。第二種補(bǔ)償器是利用波紋管的材料來制作的補(bǔ)償器，這種補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)比較好，對(duì)于壓力的承受能力是比較高的，在進(jìn)行工作的時(shí)候性能比較好，而且這種波紋管的配置是比較簡單的，它的耐腐蝕性是比較高的，在進(jìn)行維修的時(shí)候也會(huì)比較方便。第三種補(bǔ)償器主要就是填料式的補(bǔ)償器，它主要就是依靠插管、套管的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來對(duì)于管道進(jìn)行一個(gè)補(bǔ)償在進(jìn)行這種補(bǔ)償器的安裝的時(shí)候一定要注意在補(bǔ)償器的前面以及后面設(shè)置導(dǎo)向支架，這樣能夠使得補(bǔ)償器能夠更加的安全可靠。第四種補(bǔ)償器為球形的補(bǔ)償器，這種補(bǔ)償器在進(jìn)行管道的補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候主要就是利用球形部分的角度來進(jìn)行的，在進(jìn)行實(shí)際的操作中，球形補(bǔ)償器是允許管道在一定的范圍里進(jìn)行一個(gè)相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)于管道是不是在同樣的一條直線上沒有硬性的規(guī)定。由于自然補(bǔ)償受限于現(xiàn)成的地形或平面位置，所以當(dāng)自然補(bǔ)償無法滿足要求時(shí)，需要根據(jù)應(yīng)力分析計(jì)算選擇合適的補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償器的缺點(diǎn)是價(jià)格高，易泄露，后期維修量大。所以在蒸汽管道上應(yīng)首先考慮自然補(bǔ)償?shù)姆绞健?/p>

結(jié)語

通過對(duì)于蒸汽管道自然補(bǔ)償?shù)难芯?，我們?duì)于蒸汽管道有了一個(gè)很好地理解，在實(shí)際的蒸汽管道的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該在這樣的一個(gè)基礎(chǔ)上對(duì)于蒸汽管道的自然補(bǔ)償，做出一個(gè)詳細(xì)的設(shè)計(jì)，這樣在實(shí)際的管道運(yùn)行的時(shí)候，我們就能夠更多的考慮到蒸汽管道在運(yùn)行中的各因素，對(duì)于蒸汽管道的良好運(yùn)行，起到一個(gè)關(guān)鍵的作用。

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