化工蒸汽管道的热膨胀及其补偿

化工企业中的蒸汽管道大多具有温度高, 压力大, 铺设距离长的特点, 所以在管道使用过程中会产生较大的膨胀量, 对于高温, 中压大直径的管道而言, 其刚性强柔性差, 要靠管道自然补偿量来吸收热膨胀几乎是不可能的, 要靠改变管道的走向来增加管道的柔性, 势必增加管道的长度, 增加直管段的弯头数量, 无形中也增大管道内的流体阻力, 且不一定能达到预期的效果。综合各方面的因素, 在管道铺设中, 管道的热膨胀主要靠设置补偿器和滑动支架来解决。

1 管道热膨胀的补偿方式

化工热力管道中对于管道热膨胀一般采用自然补偿和人工补偿两种方式加以解决。 (1) 自然补偿:对于有弯曲部分的热力管道, 受热时自身可产生一定的弹性变形, 而不会产生较大的热应力和管道轴向推力, 从而有效防止管道及支架因受热而发生破坏, 这种借管道自身的弹性变形来吸收管道的热膨胀的补偿方法就是自然补偿。其弯曲部位可叫做自然补偿器。由于自然补偿法是利用管道本身变形来补偿, 所以在选择管道线路及其支架时, 必须注意力求使每两个固定支架间的管段尽可能由几个互相垂直而且长度不一的臂组成, 使管道具有柔韧性, 以保证管道变形时不产生过大的应力而造成破坏。 (2) 人工补偿:当管道热膨胀量过大时, 普遍采用的是各种类型人工补偿器补偿。工业中常用的有方型补偿器, 波形补偿器及填料式补偿器三种。下面具体阐述一下三种补偿器的用途及优缺点:方型补偿器具有补偿能力大, 作用在固定支架上的轴向推力小, 制造简单, 使用维护方便等优点;缺点是尺寸较大, 不能安装在狭窄的地方, 流体阻力较大;举例:主管若引用DN400的20G钢管, 设计温度400℃, 压力4.0MPa, 其温度比较高, 热膨胀量比较大, 平均每米4.8mm膨胀量, 加之管线直管段铺设比较长, 依靠管道自然补偿很难达到补偿的目的, 而对于方形补偿器而言, 由于管道为DN400的钢管, 管直径较大, 强度高, 对于较大的膨胀位移, 焊接弯头部位易产生较大的内应力, 若减小内应力, 或要设置多个方形补偿器, 或加长补偿器的竖边高度, 竖边高度加大了, 补偿器的变形角度变小, 相应的管道内应力也变小。但是这样又增加管道的铺设长度及管道的铺设高度。将给施工增大难度, 增加管道的投资, 增大管道流体阻力。对于无约束型波纹补偿器, 是依靠波纹管的轴向伸缩来进行热补偿的, 其补偿量比较小, 而且会产生很大的轴向推力。如果波纹补偿器应用不当, 它产生的管道轴向推力可能比想要消除的力还要大。拉伸或压缩波纹补偿器需要的力是相当大的, 为了使管道产生的轴向推力最小, 最好避免通过补偿器的轴向压缩或拉伸来吸收管道的膨胀。管道尽量不要选用波纹补偿器。假如蒸汽管线的正常工作压力为4.0MPa, 管道DN600。若选用无约束型波纹膨胀节, 膨胀节的内压力近7.5吨, 这样大的压力很容易使支撑管道的固定支架遭到强大推力的的破坏, 留下不可预测的安全隐患。波形补偿器一般用于公称直径较大的低压气体管道中。缺点是轴向推力较大, 易产生变形, 在每个波节下面须设置排液装置, 且排液装置又须经常保养, 浪费气体, 因此在蒸汽管道中应用较少;填料式补偿器广泛用于不容易弯制的管路中, 优点是占地面积小, 伸缩量大, 缺点是容易产生泄漏, 运行一段时间后须更换填料。

2 热膨胀量的计算

如果在室温下安装的管线原长度为L, 在温度升高的条件就会热伸长成L+ΔL, 也就是比原来长了ΔL, 这个伸长了的数值, 就是这段管道的热膨胀量可由下式求得:

式中ΔL为管段的热膨胀量, 米;

α为管材的热膨胀系数 (即温度每升高1℃每米管子线膨胀量) ;

L为在室温下安装的管道原长度, 米;

Δt为工作时温度t2与安装时室温t1之差值, Δt=t2-t1, ℃。

3 热应力的计算

如果管道两端不固定而允许它自由伸长, 则热伸长对管子强度无影响。若不允许自由伸长, 则由此而产生的附加热应力可由下式求得:

式中δ为管材受热时所产生的热应力, 公斤/厘米2;

E为管材的弹性模数, 公斤/厘米2;

ε为管道的相对变形, ε=ΔL/L。

由上式可见, 管道受热时所产生的应力的大小与管子壁厚及直径无关, 而仅由管材E, α, L, Δt等参数决定。现举例如下:

[例]将一段长为10米, 材料为20G的无缝钢管两端固定, 然后通入饱和蒸汽, 使钢管温度升高到400℃, 安装时室温为24℃, 求该管段的热膨胀及产生的热应力?

解:由计算可知该管段的热膨胀量为

ΔL=α*L*Δt=12x10-6x10x (400-20) =0.046 (米)

管段受热时产生的应力为

δ=E*ε=2.1x106x0.048/20=5040 (公斤/厘米2)

由计算结果可以看出, 上述管段受热时产生的应力远大于20G钢的强度极限, 必须采取一定的补偿措施。

4 断面推力计算

管子的断面推力是指管子受热时其断面上所受到的纵向总压力, 可由下式求得:

式中P为断面推力, 公斤;

δ为管材受热时所产生的热应力, 公斤/厘米2;

F为管子横断面积, 厘米。

现举例如下:

[例]上例中无缝钢管的规格为φ426×10, 其他条件一样, 问管子断面上的推力为多少?

解:由计算知断面推力为

由此可见, 断面推力与管道材质, 管壁截面积和温度变化有关, 而与管道长度无关, 这个力往往是很大的, 如不采取补偿措施, 将造成破坏性事故。特别要注意的是, 在采取补偿器进行补偿的时候, 要对补偿器进行预拉伸, 有利于保护补偿器, 并充分发挥补偿器的补偿作用。

5 结语

综上所述, 化工蒸汽管道的补偿要考虑多方面的因素, 尽量安全, 科学, 经济, 合理。在结构上要考虑管道的支撑要求, 使管道对支架的推力减至最小。在补偿器的设置方案上, 应充分发挥每个补偿器的补偿能力, 争取用最少的补偿器来满足整个管道的补偿要求。而化工蒸汽管道的热膨胀是一个普遍存在的问题, 也是一个应引起管道设计, 安装部门高度重视的问题, 大家应认真对待, 以确保管路系统的安全运行, 防患于未然。

摘要：通过分析化工企业中蒸汽管道的热膨胀, 列举说明设置管道热膨胀补偿的重要性及常用的补偿措施, 及其相关参数的计算公式及实例计算分析。

关键词：化工蒸汽管道,热膨胀,热应力,补偿,膨胀器