無偏離回轉接頭裝置的設計和應用

姜 杰* 洪 鶴

（1.撫順礦業集團有限責任公司頁巖煉油廠 2.撫順遠宏石化設備科技開發制造有限公司）

0 引言

在油田、石油化工、煉廠或污水處理廠等對介質輸送過程中，由于泵都固定在地面上，抽出介質后一般是通過彎頭組件來改變介質流向，達到輸送介質的目的。管道與彎頭者通過法蘭或是焊接等連接方式組合到一起，考慮在溫差變化、管道材料性質變化等因素，需要在管道中設置伸縮節或是增加膨脹節等降低管道的應力，防止管道發生破損，而且還不能把管道旋轉或是擺轉成一個任意角度來輸送介質，這給石油化工或污水處理等領域帶來了不便，也就需要更多的經濟投入。為了解決現有技術不能使管道旋轉或擺轉任意角度，不能簡單方便、安全可靠地輸送介質，本文設計了一種能夠旋轉和擺轉的無偏離回轉接頭裝置。

1 結構特征

無偏離回轉接頭裝置包括組裝在一起的回轉組件和環流組件，如圖1所示。

圖1 無偏離回轉接頭

1.1 基本組成

回轉組件包括外套管、分水管、第一無縫管和第一法蘭盤，第一法蘭盤固定在第一無縫管的外周上端，外套管的兩端朝向左右兩側，第一無縫管的下端連接在外套管的上端，外套管的上端設有與第一無縫管連通的開口，外套管的內部插入有分水管，分水管的中部周圈開有多個分水槽，分水槽的位置與外套管上端的開口位置是相對應的。環流組件包括彎頭、三通管和第二法蘭盤，兩個彎頭的一個端部分別連接在分水管兩端，兩個彎頭的另一個端部分別連接于三通管的兩端，三通管的第三個端部朝下并且外周下端連接第二法蘭盤。

如圖2和圖3所示，分水管的外周位于外套管的內部開有分水管滾球滾動槽，滾球滾動槽的兩側開有密封圈安裝槽，分水管的外周并且位于密封圈安裝槽的一側開有密封帶安裝槽，密封圈安裝槽內設有被擠壓的O形密封圈，密封帶安裝槽內設有被擠壓的密封帶，外套管的內周與分水管滾球滾動槽相匹配的位置設有外套管滾球滾動槽，分水管滾球滾動槽和外套管滾球滾動槽之間填充滿有滾球，外套管設有多個滾球填充孔，滾球填充孔內側設有螺紋，滾球填充孔螺紋連接有螺栓。密封圈為O形圈材料為丁腈橡膠，密封帶為聚四氟乙烯帶。

圖2 回轉組件

圖3 外套管、第一無縫管和第一法蘭盤結構圖

螺栓連接分別用于鎖緊螺栓和外套管的螺母。螺栓旋入滾球填充孔部分的端部連接有墊塊、墊塊遠離螺栓的一端加工成凹槽結構，如圖4所示。墊塊凹槽與滾球接觸，保證滾球始終在墊塊凹槽內滾動，使回轉組件與環流組件的位置固定。

圖4 螺栓和墊塊的位置關系示意圖 圖5 環流組件結構示意圖

三通管及兩端彎頭之間還分別連接第二無縫管和第三無縫管，所用彎頭為180°彎頭，如圖5所示。

1.2 殼體強度計算

回轉組件和環流組件強度需滿足式（1）要求。

殼體材料為304不銹鋼，查標準GB/T 12230—2005《通用閥門不銹鋼鑄件技術條件》可知該材料抗拉強度σb=520 MPa,屈服極限σ0.2=250 MPa，伸長率δ=40%。

初設計的壁厚可按第四強度理論計算：

式中：DN——鋼管最大的內徑，mm；

SB——考慮腐蝕裕量后殼體的壁厚，mm；

C——考慮各種因素而加的裕量，取3 mm；

p——管道設計壓力，取公稱壓力，MPa；

[αL] ——材料的許用拉應力，MPa。

2 工作原理

無偏離回轉接頭裝置包括組裝在一起的回轉組件和環流組件；回轉組件包括外套管、分水管、第一無縫管和第一法蘭盤。第一無縫管的下端焊接在外套管的上端，外套管上端設有開口，內部插入分水管，分水管周圈開有多個分水槽，用于介質流動。分水管位于外套管的內部，設有滾動槽，滾動槽兩側加工密封圈溝槽和密封帶槽，槽里安裝O形圈和密封帶，兩組密封裝置的設計，保證回轉組件旋轉時與環流組件的密封，防止介質泄漏。

外套管與分水管滾動槽之間填滿滾球，并設有多個滾球填充螺紋孔，通過鎖緊螺栓壓緊帶有凹槽的墊塊，使滾球平滑地旋轉而不會產生干擾，同時保證外套管與分水管始終保持相對位置，不會因為轉動而分離。即使在管道中存在壓力，介質正在流動，因為O形圈和密封帶的作用，也不會發生泄漏，同時又因墊塊壓緊滾球，回轉組件可以任意旋轉，實現帶壓改變介質流動方向的目的，而不用停車重新安裝彎頭和法蘭，節省了大量時間。

環流組件包括2個彎頭、1個三通管和1個第二法蘭盤。彎頭制成180°結構，一端與分水管焊接，另一端與第二無縫管和第三無縫管焊接，三通管的第3個端部朝下并且外周下端焊接連接有第二法蘭盤。兩個180°彎頭總流通面積是進口管道流通面積的2倍，通過環流組件可以使管道中的介質分向流動，降低介質流通速度，降低噪聲，減少設備振動。

使用時，無偏離回轉接頭裝置的環流組件法蘭與泵或是固定管道連接，回轉組件法蘭與下游接管連接。當下游介質需要改變流動方向時，通過旋轉無偏離回轉接頭的回轉組件可以任意改變介質流動方向，通過O形圈和密封帶作用，保證密封效果，通過滾球和鎖緊螺栓保證回轉組件不與固定端脫離。

3 性能特點和技術參數

石油化工以及污水處理廠等輸送介質時，常需要改變介質輸送位置或流向。針對企業改變介質流動方向費時費力，又存在安全隱患等問題設計了一種無偏離回轉接頭裝置。結合使用情況對無偏離回轉接頭裝置的性能特點、技術參數和運行維護作以下說明。

3.1 性能特點

（1）通過法蘭盤連接，實現泵后管道的旋轉或任意擺轉角度，不用安裝彎頭即可改變介質流動方向；

（2）安裝方便，采用焊接組裝形式連接以及鎖緊螺栓壓緊墊塊形式固定；

（3）防止管道發生破損，減少安全隱患，保證設備安全運行；

（4）設備結構簡單，轉動靈活，工作可靠，使用壽命長，運行成本低，維修便捷；

（5）設置雙重密封結構，即使管道中存在壓力，旋轉設備也不會發生泄漏，密封性能好，操作方便；

（6）可以帶壓改變介質流動方向，而不用停車重新安裝彎頭和法蘭，節省了大量時間。

3.2 技術參數

（1）工作介質壓力為0.35～4.0 MPa；

（2）工作溫度為0～100 ℃；

（3）最大負壓值為-0.3 MPa；

（4）工作介質為水、蒸汽、油品等；

（5）設備主體材料為304不銹鋼。

3.3 運行維護

（1）O形圈和密封帶處涂抹鋰基潤滑脂；

（2）必須保證焊縫均勻牢固，無砂眼和裂紋；螺栓需擰緊，各個連接處密封可靠；

（3）設備正常運行期間，應對儲罐內的垃圾（如朔料袋、木棍等）進行清理，防止設備動作不靈活。

4 結語

通過對油田、石油化工、煉廠或污水處理廠等對介質輸送過程中，改變介質流向時都是通過彎頭組件等，通過法蘭或是焊接方式連接，由于溫差、管道材料性質變化等，及時有膨脹節管道依然存在破損風險。設計了一種無偏離回轉接頭裝置，可以把管道旋轉或是擺轉成一個任意角度來輸送介質，同時減少了大量彎頭、法蘭、伸縮節等組件，降低了設備制造與維修成本，防止因管道應力作用而發生爆裂，提高了管道使用時的安全性。設備運行安全可靠，使用壽命長，提高介質處理效率，減少環境污染，降低了生產成本，使用安裝方便，可廣泛使用于污水處理廠及石油化工管道裝置。