直管壓力平衡型膨脹節在火炬管網中的應用

胡一鳴

(華陸工程科技有限責任公司)

直管壓力平衡型膨脹節在火炬管網中的應用

胡一鳴*

(華陸工程科技有限責任公司)

基于直管壓力平衡型膨脹節的結構和原理，給出了其在火炬管網中的布置方式和對管廊固定支架的作用力，同時對直管壓力平衡型膨脹節與“Π”型彎自然補償方法進行了分析比較。工程應用結果表明：與“Π”型彎自然補償方法相比，直管壓力平衡型膨脹節能有效解決火炬管網的熱應力問題，降低石化裝置的投資成本和運行成本。

直管壓力平衡型膨脹節 火炬管網 “Π”型彎自然補償方法 熱應力

以前，在石油化工裝置管道設計中，由于火炬系統能力要求較小、火炬總管較細，因此通常采用管道自然補償法(“L”、“Z”、“Π”型彎)和軸向型波紋管膨脹節補償形式來解決管網的熱應力問題[1]。然而，隨著石化裝置規模的不斷擴大，占地面積越來越大，各裝置間的工藝管道和公用工程管道也趨于大型化，使得火炬總管的直徑越來越大且長度更長。因此，為了降低作用到裝置管廊的結構梁柱上的由自然補償和軸向型波紋管膨脹節而產生的巨大彈性力和內壓推力，就需要人為增加自然補償的數量和加固管廊固定軸，這樣不僅會增加管道材料用量和土建工程量，還會增加火炬系統的阻力降。為此，筆者提出將直管壓力平衡型膨脹節應用于現代大型火炬管網中，替代傳統的“Π”型彎自然補償方法，使火炬系統在滿足工藝要求的前提下，管網設置合理化，以確?；鹁嫦到y節約占地、投資適度[2]。

1 直管壓力平衡型膨脹節的結構和工作原理

1.1結構

直管壓力平衡型膨脹節(圖1)由位于兩端的兩個工作波紋管(直徑相等、波數相同、變形彈性剛度K工作一致)、位于中間的一個平衡波紋管、拉桿及端板等組成[3]，主要用于吸收軸向位移并平衡波紋管的內壓推力。

圖1 直管壓力平衡型膨脹節的結構示意圖

1.2工作原理

直管壓力平衡型膨脹節工作時，兩個工作波紋管吸收相同的由于管道熱脹(冷縮)而產生的拉伸(壓縮)位移量X，而平衡波紋管則吸收相同的壓縮(拉伸)位移量X。在設計直管壓力平衡型膨脹節時，需要使平衡波紋管的有效面積A平衡等于工作波紋管有效面積A工作的兩倍，使之通過外部拉桿、端板等剛性構件相連，達到內壓推力的自身平衡。

2 直管壓力平衡型膨脹節的布置方式及其受力分析

2.1布置方式

火炬管網中，直管壓力平衡型膨脹節的布置方式如圖2所示。它一般位于外管廊上兩個固定點的中間。為防止橫向失穩，在直管壓力平衡型膨脹節兩端最近的兩個支架處分別設置導向管架。

圖2 直管壓力平衡型膨脹節的布置方式

2.2對管廊固定支架的作用力

直管壓力平衡型膨脹節在火炬管網中工作時，作用于固定支架的推力F由膨脹節一端所有的滑動支架摩擦力∑Ff、膨脹節工作波紋管和平衡波紋管吸收位移量時產生的彈性力FX和平衡波紋管與工作波紋管有效面積之間兩倍差的不平衡力FP組成，即：

F=∑Ff+FX+FP

=∑Ff+(2K工作+K平衡)X+(A平衡-2A工作)p

式中K平衡——平衡波紋管的變形彈性剛度；

p——壓力。

由于設計直管壓力平衡型膨脹節時A平衡=2A工作，由式(1)可知，作用于固定支架的推力F僅為直管壓力平衡型膨脹節受壓縮時產生的彈性力與膨脹節一端所有滑動支架摩擦力之和，即F=∑Ff+(2K工作+K平衡)X。

3 直管壓力平衡型膨脹節與“Π”型彎自然補償方法的比較

直管壓力平衡型膨脹節常用于低壓、大直徑管道和軸向位移較大的場合；采用直管壓力平衡型膨脹節可使管道按直線布置、減少項目占地面積、提高管廊利用率、減小管道系統的運行沿程阻力、減小管道直徑、減少管道支架的數量和減小管廊固定支架的水平推力，從而降低項目整體工程造價。

“Π”型彎自然補償方法雖然結構簡單、運行可靠，但是補償能力較小、作用于管廊固定軸的水平推力較大，而且每隔一定長度就需要人為設置一組“Π”型彎，不僅增加了管道元件數量和現場安裝工作量，還增加了火炬系統沿程阻力和裝置運行成本。

兩種補償方案的綜合比較見表1。

表1 兩種補償方案的綜合比較

注：直徑為1in的一個焊口為一個焊接當量(1達因)。

4 工程應用實例

某石化裝置中，220℃、0.4MPa(G)、材料為L245 SAWL、管道公稱直徑800mm、壁厚12mm的火炬氣管道在外管廊連續敷設700m。

采用“Π”型彎自然補償方法時，按照每70m設置一組“Π”型彎，共需10個“Π”型彎。

采用直管壓力平衡型膨脹節時，按照每個膨脹節可以吸收250mm的軸向位移計算，每100m設置一個膨脹節，共需7個直管壓力平衡型膨脹節。

由表1可知，直管壓力平衡型膨脹節方案對管廊寬度要求較小，可以提高管廊的利用率，減少裝置占地面積，從而節約項目的一次性投資成本。同時，該方案作用于管廊固定點的水平推力較小，降低了管廊鋼結構的設計難度和制造成本[4]。而且，可使火炬系統的壓降損失減小，裝置的長期運行成本減少，進而實現裝置的長期節能目標。

5 結束語

筆者采用直管壓力平衡型膨脹節替代傳統的“Π”型彎自然補償方法，有效解決了石化裝置火炬系統管道熱應力問題，且減少了裝置的整體成本和占地面積。隨著國家對節能減排和治理環境的關注，直管壓力平衡型膨脹節在大型石化裝置火炬系統中將會得到更加廣泛的應用。

[1] 李毅.石化裝置現場管道常見問題及解決辦法[J].化工機械,2012,39(4):526～528.

[2] 劉海峰.大型煤化工聯合裝置火炬系統的設置[J].石油化工建設,2013,35(4):61～64.

[3] GB/T 12777-2008,金屬波紋管膨脹節通用技術條件[S]．北京:中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,2008.

[4] 褚以?。D補償器在石油化工裝置管道中的應用[J]．化工設備與管道,2012,49(6):58～61.

* 胡一鳴，男，1980年8月生，工程師。陜西省西安市，710065。

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