簡(jiǎn)析金屬波紋管膨脹節(jié)在管道設(shè)計(jì)中需考慮的幾個(gè)因素

苗 嶺,趙 君（延長(zhǎng)石油集團(tuán)北京石油化工工程有限公司西安分公司,西安 710075）

簡(jiǎn)析金屬波紋管膨脹節(jié)在管道設(shè)計(jì)中需考慮的幾個(gè)因素

苗 嶺,趙 君
（延長(zhǎng)石油集團(tuán)北京石油化工工程有限公司西安分公司,西安 710075）

摘 要：金屬波紋管膨脹節(jié)在各類工程管線應(yīng)用已很廣泛。但由于工程管線布置 條件多樣、金屬波紋管膨脹節(jié)種類和應(yīng)用方法多樣，若對(duì)金屬波紋管補(bǔ)償器的特性與管線布置條件的結(jié)合未做充分、成熟的考慮，則會(huì)造成安全隱患。

關(guān)鍵詞：金屬波紋管膨脹節(jié)；應(yīng)用方法多樣；安全隱患

金屬波紋管膨脹節(jié)廣泛應(yīng)用在各種因管道布置條件限制且工作溫度與環(huán)境溫差造成管道應(yīng)力和設(shè)備管口受力超限的工況下。其種類多樣，如：?jiǎn)问捷S向型、直管壓力平衡型、復(fù)式拉桿型、彎管壓力平衡型、鉸鏈角向型、萬向鉸鏈角向型等。

由于工程管道布置條件多樣、金屬波紋管膨脹節(jié)種類和應(yīng)用方法多樣，若對(duì)金屬波紋管膨脹節(jié)的特性與管線布置條件的結(jié)合未做充分、成熟的考慮，則會(huì)造成安全隱患。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，應(yīng)至少考慮如下幾個(gè)因素。

1　管道內(nèi)壓推力

為避免高壓管道巨大的內(nèi)壓推力作用于管道支架及土建結(jié)構(gòu)上，應(yīng)優(yōu)先選用自身可承受管道內(nèi)壓推力的膨脹節(jié)。

以某電廠啟動(dòng)汽源管道改造工程為例。該管道規(guī)格是DN250，設(shè)計(jì)壓力1.65MPa，設(shè)計(jì)溫度350℃。

由于需在廠區(qū)內(nèi)長(zhǎng)距離直線布置，則要使用金屬波紋管膨脹節(jié)。若使用自身不能承受管道內(nèi)壓推力的膨脹節(jié)，則各個(gè)最靠近管道盲端的固定支架在設(shè)計(jì)工況時(shí)需要承受的管道水平推力約是8.26噸力，而該規(guī)格管道的各標(biāo)準(zhǔn)固定支架均遠(yuǎn)無法承受如此大的水平力，更不用說為承受該水平力所需付出的超過常規(guī)情況多倍的土建費(fèi)用。

故該工程采用了直管壓力平衡型金屬波紋管膨脹節(jié)，該類型膨脹節(jié)可軸向補(bǔ)償管道熱脹，并自身承受全部的管道介質(zhì)內(nèi)壓推力。因此在使用該型膨脹節(jié)后，膨脹節(jié)只向管道上的相關(guān)支架作用其波紋管的軸向變形力，而這種軸向變形力相對(duì)較小，工程中較易處理。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)反饋，上述管道系統(tǒng)多年來運(yùn)行正常。相反，若設(shè)計(jì)中未考慮上述管道內(nèi)壓推力，則可能造成管道固定支架的管部或其土建結(jié)構(gòu)毀壞，導(dǎo)致管道系統(tǒng)崩潰。根據(jù)相關(guān)事故現(xiàn)場(chǎng)的資料，這種毀壞后果是驚人的。

2　金屬波紋管彈性力

由于上述高溫高壓管道軸向膨脹節(jié)彈性剛度在管道軸向變形量較大時(shí)，會(huì)大量累積彈性水平推力，造成膨脹節(jié)兩側(cè)固定支架較難承受。為顯著減小作用于管道固定支架上的這種水平推力，對(duì)于長(zhǎng)距離直線布置管道，還可適當(dāng)設(shè)置如“Z”“L”“П”型，并在這些管道拐彎部位上，設(shè)置橫向膨脹節(jié)組合單元，以此形式來吸收長(zhǎng)距離直線管道的軸向熱脹。

這種橫向膨脹節(jié)組合單元，每個(gè)單元由三個(gè)角向補(bǔ)償單元組成（組合方式有兩種：（1）一個(gè)復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)+一個(gè)鉸鏈型角式膨脹節(jié)；（2）三個(gè)鉸鏈型角式膨脹節(jié)）。由于這種補(bǔ)償方式主要是利用角向補(bǔ)償單元與角邊長(zhǎng)的乘積來放大橫向膨脹節(jié)組合單元的補(bǔ)償能力，所以其補(bǔ)償能力非常大，并且產(chǎn)生的彈性變形力較軸向膨脹節(jié)小很多，管道固定支架可輕松承受這種彈性變形產(chǎn)生的水平推力。而且其布置方式靈活多變，膨脹節(jié)自身均可承受全部的管道介質(zhì)內(nèi)壓推力。

這種橫向膨脹節(jié)組合單元在工程應(yīng)用中適用面很廣，現(xiàn)場(chǎng)使用效果很好。

3　膨脹節(jié)所受外壓力

為防止管道非工作態(tài)時(shí)的自重及特殊工況（如管道抽真空）對(duì)膨脹節(jié)的軸向擠壓效應(yīng)，而可能使膨脹節(jié)損壞，所以在設(shè)置橫向補(bǔ)償組合單元時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用鉸鏈型膨脹節(jié)。當(dāng)必須選用拉桿型膨脹節(jié)時(shí)，應(yīng)要求制造商采取措施（如在膨脹節(jié)兩端板內(nèi)側(cè)拉桿上的合適位置設(shè)置止推螺母），使其能安全抵抗上述管道自重及個(gè)別工況（如管道抽真空）對(duì)膨脹節(jié)的軸向擠壓力。

（1）當(dāng)上述橫向補(bǔ)償單元中的復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)布置在立管時(shí)，由于復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)上端連接的管道有自重，該重量會(huì)在管道不工作無內(nèi)壓時(shí)，軸向擠壓復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)，而該型膨脹節(jié)兩側(cè)端板內(nèi)側(cè)一般無緊固螺栓，所以此時(shí)該型膨脹節(jié)的波紋會(huì)受到擠壓，而這種擠壓容易超過波紋管的允許限度，且并不是該膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)變形方式，故容易損壞波紋管。（2）當(dāng)有復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)與汽輪機(jī)直接相連時(shí)，若汽輪機(jī)冷凝器在機(jī)組啟動(dòng)前抽真空，該復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)會(huì)因與冷凝器連通而受到大氣的軸向擠壓，這種擠壓力很大，也容易如上述第1條損壞膨脹節(jié)。

所以，在上述兩種工況下的復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)訂貨時(shí)，應(yīng)要求其在兩側(cè)端板內(nèi)側(cè)的拉桿上的合適位置，設(shè)置限位螺栓。在設(shè)置此限位螺栓后，上述擠壓力會(huì)轉(zhuǎn)移到膨脹節(jié)的拉桿上，由于桿狀物抗拉但不易抗壓，所以還應(yīng)向供貨商提出相應(yīng)的抗壓要求，以保證拉桿粗細(xì)合適。

4　安裝預(yù)變形

為充分利用各膨脹節(jié)的補(bǔ)償能力，可對(duì)一個(gè)補(bǔ)償單元在安裝時(shí)做反向預(yù)變形熱脹量的50%。這樣無論對(duì)于何種膨脹節(jié)設(shè)置方式，都有利于減少工作狀態(tài)時(shí)管道及管道支架受力，有利于管道安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5　管道支架摩擦力

設(shè)置膨脹節(jié)的管道中會(huì)有分割管道膨脹區(qū)段的固定支架，在布置水平管道時(shí)，應(yīng)將這種固定支架兩側(cè)直接相連的剛性管道總重盡量設(shè)置相等。因?yàn)楣艿乐Ъ軙?huì)有摩擦力，當(dāng)管道工作受熱變形時(shí)，管道的各滑動(dòng)支架會(huì)滑動(dòng)，這時(shí)滑動(dòng)摩擦力會(huì)反向作用于相應(yīng)的固定支架。若該固定支架兩側(cè)的剛性管道總重相差較大，會(huì)對(duì)該固定支架產(chǎn)生較大的水平摩擦反向推力，這種推力也容易很大，而損壞該固定支架。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，上述情況下，該水平摩擦反向推力可取：（固定支架單側(cè)直接相連的剛性管道多側(cè)總重-固定支架單側(cè)直接相連的剛性管道少側(cè)總重×70%）×管道滑動(dòng)支架摩擦系數(shù)。

綜上所述，在設(shè)計(jì)含有金屬波紋管膨脹節(jié)的管道時(shí)，需要充分考慮至少上述五種因素對(duì)管道布置及膨脹節(jié)的影響，以避免安全隱患，保證整個(gè)管道系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)[S].金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件.2008.

[2]中國石油天然氣股份有限公司[S].金屬波紋管膨脹節(jié)安裝規(guī)范.2010.

作者簡(jiǎn)介：苗嶺（1979-），男，河南通許人，熱工，工程師。