浅谈化工装置中蒸汽管道的自然补偿

2022-09-12

前言

蒸汽管道在化工装置用于输送饱和蒸汽和过热蒸汽, 自身的温度和压力通常较高。一般化工装置的蒸汽管道大多是架空敷设, 很少有管沟敷设, 不应埋地敷设。为了使管道在工作状态下能够稳定安全的工作, 在设计管道时需要考虑管道受热时的热膨胀量, 尽量减小管道因温度升高而产生的应力对管道造成破坏。为了减少这个温差应力对于管道带来的影响, 就要考虑到补偿的问题。

管道热膨胀量的计算公式如下:

其中:ΔL¬—热膨胀量 (mm)

α¬—热膨胀系数mm/m℃ (碳钢取0.012)

T2¬—设计温度℃

T1¬—基准温度或环境温度℃ (一般取20℃)

L—管道长度 (m)

一、蒸汽管道的补偿原则

蒸汽管道补偿的方式有两种, 分别为利用管道自身弯曲的自然补偿和使用补偿器补偿。在进行管道的自然补偿设计的时候, 一定要遵循以下的几点设计原则:

1.

从管道布置上考虑, 这就要求在进行蒸汽管道自然补偿的设计的时候, 考虑到整个蒸汽管道的柔性, 看看是否能够利用管道进行自然的补偿

2.

管道的冷紧上考虑, 这样就要求我们在对于蒸汽管道进行自然补偿的时候, 需要考虑到管道是在低温的情况下, 还是在高温的热力情况下进行的。这样能够根据实际的分析对管道进行补偿设计。

3. 如果上述两种方法都不能够满足管道的补偿的话, 那么就需要采用补偿器进行补偿。

另外当弯管转角小于150°时, 能用作自然补偿, 大于150°时, 不能采用自然补偿。

选用自然补偿是否满足要求, 可以用下面的公式判断:

其中:D——管道外径 (cm)

Δ——管道的补偿量 (cm)

L——管道展开总长度 (m)

U——两固定点间的距离 (m)

上述公式使用条件:1) 单根管道, 无变径。2) 两端必须固定。3) 中间无限位支架。4) 无分支管。

若计算后满足此公式, 说明管道安全。

二、蒸汽管道自然补偿

蒸汽管道的自然补偿就是利用管道中的弯曲部分的挠曲, 来进行管道补偿的位移。在进行管道的自然补偿的时候, 从管道的弯曲程度常分为L型直角弯, Z字形折角弯及空间立体弯。下面简单的介绍常用的几种补偿方式。

1. L型直角弯

对于L型布置的管道长臂一般控制在20~25m以内, 最长不要超过30 m。并且弯曲应力不应超过80 Mpa。

对于L型布置的管道, 短臂最小长度按以下公式计算:

L2min—“L”型布置短臂最小长度 (m)

ΔL—长臂L1的热膨胀量 (mm)

Do—管道外径 (mm)

2. 平面Π弯

(1) 由于蒸汽管道通常敷设在管廊和管墩上, 所以设置Π型补偿器是最常见的一种补偿。它相当于L型直角弯和Z字形折角弯的组合。Π型补偿器最好布置在两固定支架的中心位置, 但通常很难做到这一点, 在此情况下, 一般控制在两固定支架在1/3~2/3之间。超出此范围管道应力会急剧上升, 管道稳定性也差。

Π型补偿器两个固定架间距没有具体的规定, 一般来说, 装置内取30~40m, 这与设备之间引出的管线位置和设备之间距离有关, 还与固定点中间的立体方型补偿器外伸臂的长度有关, 外伸臂过长是否影响设备及管线布置, 外伸臂能否利用小梁加门型架支承, 而不另立就地生根支架, 这就要求外伸臂不要太长, 所以限制了固定点的距离。装置外管廊固定点的距离50~120m, 一般为50~60m左右。一般来说管径大、温度高, 间距小一点;管径小、温度低, 间距可适当在大一点, 但不可太大, 否则会造成管道失稳。另外, 对于有坡度的管道, 沿高 (H) 的管道是不设坡度的。

(2) 平面Π型补偿器第一个导向架位置

Π型补偿器第一个导向架应距弯头40 Dn (管道的公称直径) , 以防止弯头处弯曲应力过大。弯头与三通都是管道上应力容易集中的部件, 管道一旦出现问题大多发生在应力集中之处。

(3) 平面布置Π型补偿器的宽 (W) 与高 (H) 的确定

根据蒸汽管道两个固定点间的距离计算出需要的补偿量, 再通过《石油化工管道安装设计便查手册》第七章第四节中Π型补偿器线算图选择合适的宽 (W) 与高 (H) 以及管道对固定点的推力, 并把此推力提供给结构专业对固定点的支撑进行校核.

3. 空间立体弯

空间立体弯是指立体布置Π型补偿器, 相比较平面Π型补偿器而言, 立体布置Π型补偿器布置灵活, 更适用于管廊上多根管道需要自然补偿的情况。为了管廊外观看起来美观以及便于结构设计支架 (主要是承受水平力) , Π型补偿器宜集中布置。如果需要热 (冷) 补偿的管道较多 (4根以上) , Π型补偿器可分为两边布置。水平推力大的、管径大的宜靠柱布置, 最好两柱受力相当, 这样有利于结构设计。常温管道、管径小的放在中间。

下图为Π型补偿器立体互嵌布置,

三、管道自然补偿的与补偿器补偿的对比

补偿器是一种设置在管道上, 为了吸收管道产生的热胀冷缩以及位移的一种元件, 在蒸汽管道中, 我们一般会采用四种形式的补偿器。第一种是方形的补偿器, 它主要就是利用弯管的弹性来对于管道因为出现热变形进行吸收的, 从它工作的原理上来看, 方形的补偿器主要句式属于对于管道弹性的一种热补偿。它的主要优点就是制作比较简单、安装起来比较方便, 使用起来安全可靠, 而且不需要经常的进行维修处理。但是它对于空间的占用是比较大的, 而且还影响美观。第二种补偿器是利用波纹管的材料来制作的补偿器, 这种补偿器的结构比较好, 对于压力的承受能力是比较高的, 在进行工作的时候性能比较好, 而且这种波纹管的配置是比较简单的, 它的耐腐蚀性是比较高的, 在进行维修的时候也会比较方便。第三种补偿器主要就是填料式的补偿器, 它主要就是依靠插管、套管的相对运动来对于管道进行一个补偿在进行这种补偿器的安装的时候一定要注意在补偿器的前面以及后面设置导向支架, 这样能够使得补偿器能够更加的安全可靠。第四种补偿器为球形的补偿器, 这种补偿器在进行管道的补偿的时候主要就是利用球形部分的角度来进行的, 在进行实际的操作中, 球形补偿器是允许管道在一定的范围里进行一个相对的转动, 对于管道是不是在同样的一条直线上没有硬性的规定。由于自然补偿受限于现成的地形或平面位置, 所以当自然补偿无法满足要求时, 需要根据应力分析计算选择合适的补偿器进行补偿。补偿器的缺点是价格高, 易泄露, 后期维修量大。所以在蒸汽管道上应首先考虑自然补偿的方式。