波紋管膨脹節在大口徑熱力管道中的應用

邢昀(天津辰鑫石化工程有限公司， 天津 300270)

波紋管膨脹節在大口徑熱力管道中的應用

邢昀(天津辰鑫石化工程有限公司， 天津 300270)

隨著項目規模大型化和環境要求的日益提高，系統溫度與壓力越來越高。大口徑管道的應用也越來越多，筆者就波紋管膨脹節在大口徑熱力管道中的應用進行了探討。

大口徑熱力管道；應力；波紋管膨脹節

國家對環境治理的愈加重視與要求的提高，煙氣脫硫回收的項目井噴式的出現。電力行業中的濕法煙氣脫硫的管道雖然口徑較大，但溫度壓力都很低，并不需要單獨的做應力分析。石油煉化行業中的有害氣體多為硫化氫，采用高溫環境下與水反應制硫酸的方法脫硫，經加熱爐獲得的高溫酸性氣溫度高達480℃，煙氣管道口徑都在DN1000以上。此類管道的應力分析關乎項目的設備布置，合理規劃尤為重要。

管線的熱補償方式主要為自然補償或選用適當型式的補償器。此次討論的大口徑薄壁管線由于設備布置緊湊，靠更改管道走向或使用填料函式補償器都無法滿足要求。選用波紋管膨脹節成為補償管道熱位移的最佳方案。

1 波紋管膨脹節的種類

波紋管膨脹節可從材質上分為金屬波紋管膨脹節和非金屬波紋管膨脹節。型式上可分為單式軸向型膨脹節、單式鉸鏈型膨脹節、單式萬向鉸鏈型膨脹節、復式自由型膨脹節、復式拉桿型膨脹節、復式鉸鏈型膨脹節、復式萬向鉸鏈型膨脹節、彎管壓力平衡型膨脹節、直管壓力平衡型膨脹節、旁通直管壓力平衡型膨脹節、外壓軸向型膨脹節。

2 波紋管膨脹節中單波吸收熱位移能力是相同的

雖然理論上增加波的個數可大幅提高波紋管膨脹節的吸收能力，但波的個數增加容易產生失穩，這種方式并不可行。吸收橫向位移量較大的位置應考慮選擇復式自由型膨脹節，其總長度可與單式軸向型波紋管相同，只需增加兩波間直管段長度即可大幅提高橫向補償量。

波紋管通變形來吸收管道的熱位移，剛度必然很小，系統加壓時波紋管不能承受管道的縱向應力，根據GB/T12777可知波紋管產生壓力推力的大小。由單式軸向型與復式自由型膨脹節的結構可知，軸向止推架上的水平推力為管道摩擦力，膨脹節壓力推力與膨脹節彈性力的和。由于拉桿型膨脹節壓力推力會由拉桿吸收，鉸鏈型膨脹節壓力推力會由鉸鏈吸收，故作用在軸向止推架上的水平推力只為管道摩擦力與膨脹節彈性力的和。經筆者計算DN1200波紋管的釋放的壓力推力為23KN，吸收100mm軸向熱位移產生的彈性力為33KN，這種附加力無疑是巨大的。故在使用波紋管膨脹節時一定要注意水平推力對結構專業的影響，保證膨脹節在使用中的可行性。

3 膨脹節的設置

(1)在膨脹節設置上筆者從工藝流程入手，高溫煙氣管道經廢熱鍋爐到冷卻器的溫度保持在450℃左右；冷卻器到煙筒之間的管道從280℃遞減到100℃，且煙氣中腐蝕性組分已經極低。綜合考慮安全與經濟要素，冷卻器前煙氣管線選用金屬膨脹節，冷卻器后的煙氣管線選用非金屬膨脹節。

(2)在型式的選擇上，筆者原則上選用單式軸向型膨脹節。此膨脹節軸向吸收能力很強橫向吸收能力較弱，在直管道上設置最為合適。單式軸向型膨脹節在L型管路中設置會吸收一定量的橫向位移，由此產生的橫向彈性力較大，應注意設備口受力是否超標且壓力推力會使距離最近的彎頭一次應力增加，必要時可增設彎管支托吸收壓力推力保證裝置運行安全。Z型管路中可在管路中間位置設置止推支架將管路分割為兩個L型管路進行考慮。

(3)舉例說明 下面，結合實際，對項目中一處有代表性的空間Z型管道的補償方式進行說明。管線為DN1500的煙氣管，溫度高達460℃，直線展開長度11．6米。第一種方案為順介質流向使用彎管壓力平衡型膨脹節，經過筆者模擬計算其結果能夠較好的吸收管道在各個方向上產生的位移，且管口受力符合設備要求。但此類型的膨脹節運行過程中會在盲端沉積粉塵，遭到工藝專業的否定。第二種方案是選用三個單式萬向鉸鏈型膨脹節配合使用，此方案經模擬可以吸收管道熱位移，但由于三個補償器重量較大，重量全部加載到管口上，導致設備管口校核無法通過。由于設備管口向上熱脹量在150mm左右，附近無可用構架可以在高度和載荷上滿足恒力彈簧支撐要求，這種方案也被否定。已沒有標準型式的膨脹節可以滿足要求，故與膨脹節廠家協調設計非標波紋管膨脹節來解決問題。第三種方案見圖。

第三種方案精妙的把將彎頭與X向管道包含在膨脹節中，管道X向位移都由膨脹節內部吸收。由于將彎頭包含在膨脹節中，故膨脹節在完全吸收R-104向上熱位移和入口管道軸向熱位移的同時能夠滿足R-104設備管口受力要求。由于R-103固定端支耳在設備左側與膨脹節入口端焊縫在X方向距離相近，可認為設備與彎頭同時向X方向熱脹。故膨脹節只需吸收R-103向上的熱位移就能夠滿足R-103管口受力要求。膨脹節的拉桿可以吸收膨脹節的壓力推力；并且兩波紋管距離較大，橫向剛度很小，使用中并不會產生較大的橫向彈性力；由膨脹節附加結構重量不高，并不需要做結構支架，此方案滿足要求。

4 結語

由于管道布置千變萬化，膨脹節選用不僅要考慮管道熱位移的吸收結構支架的設置，還應考慮在不同操作工況檢修狀態下都能夠滿足要求。

[1]GB50316-2008工業金屬管道設計規范[S].

[2]SH/T3059-2012石油化工管道設計器材選用規范[S].

[3]GB/T12777-2008金屬波紋管膨脹節通用技術規范[S].

邢昀(1989-)，男，吉林白城人，工程師，2012年畢業于吉林化工學院過程裝備與控制工程專業，主要從事石油化工管道應力分析工作。