淺談化工裝置中蒸汽管道的自然補償

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，很少有管溝敷設，不應埋地敷設。為了使管道在工作狀態下能夠穩定安全的工作，在設計管道時需要考慮管道受熱時的熱膨脹量，盡量減小管道因溫度升高而產生的應力對管道造成破壞。為了減少這個溫差應力對于管道帶來的影響，就要考慮到補償的問題。

管道熱膨脹量的計算公式如下：

其中：ΔL?—熱膨脹量(mm)

α?—熱膨脹系數 mm/m℃(碳鋼取0.012)

T2?—設計溫度 ℃

T1?—基準溫度或環境溫度 ℃(一般取20℃)

L—管道長度(m)

一、蒸汽管道的補償原則

蒸汽管道補償的方式有兩種，分別為利用管道自身彎曲的自然補償和使用補償器補償。在進行管道的自然補償設計的時候，一定要遵循以下的幾點設計原則：

1.從管道布置上考慮，這就要求在進行蒸汽管道自然補償的設計的時候，考慮到整個蒸汽管道的柔性，看看是否能夠利用管道進行自然的補償

2.管道的冷緊上考慮，這樣就要求我們在對于蒸汽管道進行自然補償的時候，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行的。這樣能夠根據實際的分析對管道進行補償設計。

3.如果上述兩種方法都不能夠滿足管道的補償的話，那么就需要采用補償器進行補償。

另外當彎管轉角小于150°時，能用作自然補償，大于150°時，不能采用自然補償。

選用自然補償是否滿足要求，可以用下面的公式判斷：

其中：D——管道外徑(cm)

Δ——管道的補償量(cm)

L——管道展開總長度(m)

U——兩固定點間的距離(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。

若計算后滿足此公式，說明管道安全。

二、蒸汽管道自然補償

蒸汽管道的自然補償就是利用管道中的彎曲部分的撓曲，來進行管道補償的位移。在進行管道的自然補償的時候，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償方式。

1.L型直角彎

對于L型布置的管道長臂一般控制在20～25m以內，最長不要超過30m。并且彎曲應力不應超過80Mpa。

對于L型布置的管道，短臂最小長度按以下公式計算：

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在管廊和管墩上，所以設置Π型補償器是最常見的一種補償。它相當于L型直角彎和Z字形折角彎的組合。Π型補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，在此情況下，一般控制在兩固定支架在1/3～2/3之間。超出此范圍管道應力會急劇上升，管道穩定性也差。

Π型補償器兩個固定架間距沒有具體的規定，一般來說，裝置內取30~40m，這與設備之間引出的管線位置和設備之間距離有關，還與固定點中間的立體方型補償器外伸臂的長度有關，外伸臂過長是否影響設備及管線布置，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，所以限制了固定點的距離。裝置外管廊固定點的距離50~120m，一般為50~60m左右。一般來說管徑大、溫度高，間距小一點；管徑小、溫度低，間距可適當在大一點，但不可太大，否則會造成管道失穩。另外，對于有坡度的管道，沿高(H)的管道是不設坡度的。

(2)平面Π型補償器第一個導向架位置

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

(3)平面布置Π型補償器的寬(W)與高(H)的確定

根據蒸汽管道兩個固定點間的距離計算出需要的補償量,再通過《石油化工管道安裝設計便查手冊》第七章第四節中Π型補償器線算圖選擇合適的寬(W)與高(H)以及管道對固定點的推力,并把此推力提供給結構專業對固定點的支撐進行校核.

3.空間立體彎

空間立體彎是指立體布置Π型補償器，相比較平面Π型補償器而言，立體布置Π型補償器布置靈活，更適用于管廊上多根管道需要自然補償的情況。為了管廊外觀看起來美觀以及便于結構設計支架(主要是承受水平力)，Π型補償器宜集中布置。如果需要熱(冷)補償的管道較多(4根以上)，Π型補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，這樣有利于結構設計。常溫管道、管徑小的放在中間。

下圖為Π型補償器立體互嵌布置，

三、管道自然補償的與補償器補償的對比

補償器是一種設置在管道上，為了吸收管道產生的熱脹冷縮以及位移的一種元件，在蒸汽管道中，我們一般會采用四種形式的補償器。第一種是方形的補償器，它主要就是利用彎管的彈性來對于管道因為出現熱變形進行吸收的，從它工作的原理上來看，方形的補償器主要句式屬于對于管道彈性的一種熱補償。它的主要優點就是制作比較簡單、安裝起來比較方便，使用起來安全可靠，而且不需要經常的進行維修處理。但是它對于空間的占用是比較大的，而且還影響美觀。第二種補償器是利用波紋管的材料來制作的補償器，這種補償器的結構比較好，對于壓力的承受能力是比較高的，在進行工作的時候性能比較好，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，在進行維修的時候也會比較方便。第三種補償器主要就是填料式的補償器，它主要就是依靠插管、套管的相對運動來對于管道進行一個補償在進行這種補償器的安裝的時候一定要注意在補償器的前面以及后面設置導向支架，這樣能夠使得補償器能夠更加的安全可靠。第四種補償器為球形的補償器，這種補償器在進行管道的補償的時候主要就是利用球形部分的角度來進行的，在進行實際的操作中，球形補償器是允許管道在一定的范圍里進行一個相對的轉動，對于管道是不是在同樣的一條直線上沒有硬性的規定。由于自然補償受限于現成的地形或平面位置，所以當自然補償無法滿足要求時，需要根據應力分析計算選擇合適的補償器進行補償。補償器的缺點是價格高，易泄露，后期維修量大。所以在蒸汽管道上應首先考慮自然補償的方式。

結語

通過對于蒸汽管道自然補償的研究，我們對于蒸汽管道有了一個很好地理解，在實際的蒸汽管道的設計中，應該在這樣的一個基礎上對于蒸汽管道的自然補償，做出一個詳細的設計，這樣在實際的管道運行的時候，我們就能夠更多的考慮到蒸汽管道在運行中的各因素，對于蒸汽管道的良好運行，起到一個關鍵的作用。

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