化工管道設計中的自然補償法研究

郭曉瑩 王慶 翟俊紅（中海油山東化學工程有限責任公司，山東 濟南 250010）

化工管道設計中的自然補償法研究

郭曉瑩 王慶 翟俊紅（中海油山東化學工程有限責任公司，山東 濟南 250010）

自然補償法是化工管道設計中常用的思想，其對于提高管道系統的穩定性、安全性具有重要意義。本文將在介紹自然補償法內涵及計算方法的基礎上，分析提高自然補償法效果的若干方法。

化工管道；自然補償法；研究

化工管道在運行過程中，出現熱脹和端點位移現象在所難免，其對管道本身的耐久度不會產生較大影響但是熱脹引起的溫度應力可能會威脅管道系統的穩定性，如不加以控制將會對管道的正常運行造成影響，引起相連接設備故障甚至造成嚴重的安全事故。現階段在管道設計中，設計人員常常利用自然補償法消除管道熱脹和端點位移造成的不利影響，提高管道系統穩定性。

1 自然補償法概述

在化工生產中，管道往往受到一定的約束和支撐，當溫度變化時，管道會產生較大的溫度應力，附加到對他產生約束作用的結構上，對支撐構件、相連設備產生連鎖影響，這一影響輕則導致結構變形，重則誘發安全事故，因此有必要提高管道的柔性，消除溫度應力的不利影響。

除優化管道布置設計方案外，設計人員還可以通過引入自然補償思想，實現溫度應力的自我消化。當前常用的補償設計有安裝補償器或自然補償兩種方式，其中，自然補償法指利用管道自然彎曲形狀（或設計成L或Z管道）所具有的柔性，補償其管道自身的熱脹和端點的位移的方式。由于自然補償法具有結構簡單、運行可靠、成本低的優勢，因此在化工管道設計中的應用更為廣泛。

2 自然補償法的計算方法

化工管道的自然補償有L型、Z型、空間自然補償三種方式，當溫度變化時，管道彎曲部分的塑性變形及彈性變形實現對管道的自然補償，其中熱力管道的伸長量計算公式如下：

其中：

A——管道在相應溫度范圍內的線脹系數mm∕m℃；

T1——管道安裝溫度℃;

T2——管道設計使用溫度℃

L——管道長度m。

在自然補償法，各種補償方式的設計關鍵在于臂長的計算。以下為L型自然補償、Z型自然補償臂長的計算方法以及空間自然補償的驗算方法。

2.1 L型自然補償臂長計算方法

L型自然補償法中直角彎斷臂長的計算公式如下：

其中：

l——L型自然補償短臂長度m；

△L——長臂L的熱伸縮量mm；

DW——管道外徑mm。

2.2 Z型自然補償臂長計算方法

Z型自然補償法是另一種常用的化工管道自然補償法，其具有兩個彎頭形成轉彎。在Z型自然補償法中，自然補償短臂的計算公式如下：

其中：

l——Z型自然補償短臂長度m；

△L——（L1+L2）的熱伸縮量mm；

DW——管道外徑mm；

E——管道材料的彈性模量MPa；

[sbw]——管道彎曲應力MPa；

n——等于（L1+L2）∕L，且L1＜L2。

Z型自然補償形式下的管道在受到溫度變化影響時會出現兩個方向的位移和推力，垂直臂變形產生的應力由水平臂的變形來補償，垂直臂越長、水平臂越長則自然補償能力越強。

2.3 空間自然補償管段的近似驗算

空間自然補償管段設計中需要驗算補償能力是否滿足要求，常用的判斷公式如下所示：

其中：

DN——管道公稱通徑mm；

△L——管道三個方向熱伸長量的向量和cm；

L——管道展開總長度m；

U——管道兩端固定點之間的直線距離m。

需要注意的是，此式需要在特定的條件下才能使用：首先屬于一根管道且管徑管材沒有發生變化；其次管道的兩段是固定點；再次管道重點沒有支吊架；最后管道沒有分管。

3 化工管道自然補償能力提高的方法

3.1 提高管道柔性

管道柔性同管道在面對溫度變化時所產生溫度應力的大小有關，柔性大的管道溫度應力影響小，柔性大的管道溫度應力影響大，因此提高管道柔性是改善管道系統性能的關鍵工作，而自然補償法設計的核心就是通過增加管道彎曲度來提高管道的柔性。另外，在平面管道系統中，設計人員也可以通過使用沒有熱膨脹或熱膨脹系數小的管道來增加系統的柔性。

3.2 優化布置

優化管道系統的布置條件也能夠達到增強自然補償效果的目的。在熱應力較大的區域可以通過安裝彈性支架或框架方式吸收溫度應力，實現減少管道形變或位移的效果。另外，當管線沒有發生較大位移時，為了減少管線變形量，長距離管道需要借助固定點將其分解為獨立形狀管線系統，安裝固定點的位置主要為需要承受管道振動、荷載的部位以及需要控制管道位置的關鍵位置。

3.3 設備布置

設備布置也是提高管道自然補償法效果的主要方法之一。當常規的補償方法沒有很好的削弱溫度應力對管道系統穩定性和安全性的不利影響時，設計人員需要從管道設備布置方面入手，優化調整設備位置，規避管線應力超限問題，盡可能一次性實現管道熱應力的自補償。

4 結語

總的來講，管道是化工企業主要的基礎設施之一，對于保證生產效率以及生產的安全性具有十分重要的意義。為減少管道運行過程中溫度應力對系統的不利影響，管道設計中需要引入自然補償法的思想，借助于簡單的結構調整，實現管道柔性的提高，分散溫度應力，提高整個系統的穩定性，保護管線和設備安全。

[1]吳小琴.化工管道設計中的自然補償法研究[J].化工管理,2016,(21):88.

[2]王一.化工管道設計中常用的自然補償法研究[J].化工管理,2016,(02):24.