石化装置管廊上π形补偿器的设计和应用

2022-12-26

在石化装置管道设计安装过程中, 随工况的不同, 工艺管道必然存在热胀冷缩, 从而产生热膨胀。长管段的热胀量会达到较大数值, 从而对相连设备和土建结构产生作用力, 设备和土建结构也会产生反作用力, 引起管道应力。为了防止热膨胀产生的破坏作用, 设计中需考虑自然补偿或设置补偿器以吸收热胀和端点位移[1]。

一、管道热膨胀

工业生产中高温管道从冷状态到工作状态, 温度变化很大, 如果允许自由膨胀, 管道会受到端部设备管口和中间支吊架的约束, 产生管道应力, 引起管道热变形。

其热胀量按下式计算[2]:

式中:Δt—管道在温度t时的胀量, mm;

αt—管道材料在温度t时的热膨胀系数, mm/ (mm·℃) , 在一般资料中可查到;

ΔT—管道温升, ℃。一般ΔT=T-20℃, T指管道内介质温度, 一般为管道的设计温度;

l—管道长度, mm。在空间管道中应是管道在某个坐标方向上的投影长度。

如, 单位长度蒸汽供热管道, 规格为273×10mm, 材料为20#, 其升温到200℃时管道胀量:

两端固定的情况下, 管道不能自由伸长, 由热膨胀产生的内应力:

其中Et为钢材的弹性模量。

可见, σt已远远超过了20#钢200℃时的许用应力123MPa。

钢管截面积A=πS (Do-S) =3.14×10× (273-10) =8258.2 (mm2)

此时管道传给固定支架的力:

Ft=σtA=439.3×8258.2=3.63×106 (N)

在工程实际中, 两固定点间的距离往往是几十米, 显然, 这样大的作用力是不允许的。若胀量得不到有效补偿, 将对管道及设备产生很强的破坏力。

二、管道的π形补偿器

在管道设计时主要采用自然补偿和使用管道补偿器的形式减少管道产生的应力。自然补偿是是最为经济的补偿形式, 主要有L形、Z形和π形补偿, 其中π形补偿器由于结构简单, 运行可靠, 投资少而被广泛采用。

1. 支架设置

长管线应用固定点将管系分成简单的、可独立膨胀的、固定管段进行柔性设计, 典型管段图见图1。

(1) 固定点的选用原则[3]

固定点的选定原则是能合理利用管线的自然补偿, 且使位移量不超过管托长度, 且固定点的受力不应过大。π形补偿器宜设置在两固定点中部或接近中部的位置, 此时补偿效果最好。当不能位于两固定支架中部时, 补偿器距固定支架的距离不宜小于两支架间距的三分之一。

(2) 为防止管道横向位移过大, 保证位移沿着预定方向进行, π形补偿器两侧宜设导向支架。一般弯头、分支处不应设置导向支架。水平管道上导向支架与补偿器管端的距离按图2确定, 最终结果按照管道特性、现场自然条件和应力分析结果确定。

2. 结构尺寸的确定

常用结构形式有4种, 如图3, 且要求弯头半径R=1.5DN。

进行管道设计时, 一般般步步骤骤如如下下:

(1) 据管径确定管道固定支架间距;

(2) 计算管道热胀量;

(3) 据管道布置的具体情况确定具体的结构形式;

(4) 据管径、热胀量及结构形式, 按照《动力管道设计手册》表6-2进行选择, 确定其尺寸。

摘要：工业生产中的大多数管道在高于安装温度下工作, 普遍存在热膨胀问题, 只有对热膨胀进行妥善的补偿处理, 才能避免胀量对管道的破坏力。文章针对管道的热膨胀, 介绍了管廊上管道热补偿的相关计算, 提出π形补偿器支架的选用设置原则。通过对其设置原则的分析和探讨, 得出如何计算和选用π形补偿器, 以保证高温热管道在实际运行中的安全性。

关键词：热胀量,π形补偿器,结构尺寸