化工管道设计中的自然补偿法研究

2017-07-18郭晓莹王庆翟俊红中海油山东化学工程有限责任公司山东济南250010

化工管理 2017年17期

关键词：柔性化工管线

郭晓莹王庆翟俊红（中海油山东化学工程有限责任公司，山东济南 250010）

化工管道设计中的自然补偿法研究

郭晓莹王庆翟俊红（中海油山东化学工程有限责任公司，山东济南 250010）

自然补偿法是化工管道设计中常用的思想，其对于提高管道系统的稳定性、安全性具有重要意义。本文将在介绍自然补偿法内涵及计算方法的基础上，分析提高自然补偿法效果的若干方法。

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化工管道在运行过程中，出现热胀和端点位移现象在所难免，其对管道本身的耐久度不会产生较大影响但是热胀引起的温度应力可能会威胁管道系统的稳定性，如不加以控制将会对管道的正常运行造成影响，引起相连接设备故障甚至造成严重的安全事故。现阶段在管道设计中，设计人员常常利用自然补偿法消除管道热胀和端点位移造成的不利影响，提高管道系统稳定性。

1 自然补偿法概述

在化工生产中，管道往往受到一定的约束和支撑，当温度变化时，管道会产生较大的温度应力，附加到对他产生约束作用的结构上，对支撑构件、相连设备产生连锁影响，这一影响轻则导致结构变形，重则诱发安全事故，因此有必要提高管道的柔性，消除温度应力的不利影响。

除优化管道布置设计方案外，设计人员还可以通过引入自然补偿思想，实现温度应力的自我消化。当前常用的补偿设计有安装补偿器或自然补偿两种方式，其中，自然补偿法指利用管道自然弯曲形状（或设计成L或Z管道）所具有的柔性，补偿其管道自身的热胀和端点的位移的方式。由于自然补偿法具有结构简单、运行可靠、成本低的优势，因此在化工管道设计中的应用更为广泛。

2 自然补偿法的计算方法

化工管道的自然补偿有L型、Z型、空间自然补偿三种方式，当温度变化时，管道弯曲部分的塑性变形及弹性变形实现对管道的自然补偿，其中热力管道的伸长量计算公式如下：

其中：

A——管道在相应温度范围内的线胀系数mm∕m℃；

T1——管道安装温度℃;

T2——管道设计使用温度℃

L——管道长度m。

在自然补偿法，各种补偿方式的设计关键在于臂长的计算。以下为L型自然补偿、Z型自然补偿臂长的计算方法以及空间自然补偿的验算方法。

2.1 L型自然补偿臂长计算方法

L型自然补偿法中直角弯断臂长的计算公式如下：

其中：

l——L型自然补偿短臂长度m；

△L——长臂L的热伸缩量mm；

DW——管道外径mm。

2.2 Z型自然补偿臂长计算方法

Z型自然补偿法是另一种常用的化工管道自然补偿法，其具有两个弯头形成转弯。在Z型自然补偿法中，自然补偿短臂的计算公式如下：

其中：

l——Z型自然补偿短臂长度m；

△L——（L1+L2）的热伸缩量mm；

DW——管道外径mm；

E——管道材料的弹性模量MPa；

[sbw]——管道弯曲应力MPa；

n——等于（L1+L2）∕L，且L1＜L2。

Z型自然补偿形式下的管道在受到温度变化影响时会出现两个方向的位移和推力，垂直臂变形产生的应力由水平臂的变形来补偿，垂直臂越长、水平臂越长则自然补偿能力越强。

2.3 空间自然补偿管段的近似验算

空间自然补偿管段设计中需要验算补偿能力是否满足要求，常用的判断公式如下所示：

其中：

DN——管道公称通径mm；

△L——管道三个方向热伸长量的向量和cm；

L——管道展开总长度m；

U——管道两端固定点之间的直线距离m。

需要注意的是，此式需要在特定的条件下才能使用：首先属于一根管道且管径管材没有发生变化；其次管道的两段是固定点；再次管道重点没有支吊架；最后管道没有分管。

3 化工管道自然补偿能力提高的方法

3.1 提高管道柔性

管道柔性同管道在面对温度变化时所产生温度应力的大小有关，柔性大的管道温度应力影响小，柔性大的管道温度应力影响大，因此提高管道柔性是改善管道系统性能的关键工作，而自然补偿法设计的核心就是通过增加管道弯曲度来提高管道的柔性。另外，在平面管道系统中，设计人员也可以通过使用没有热膨胀或热膨胀系数小的管道来增加系统的柔性。

3.2 优化布置

优化管道系统的布置条件也能够达到增强自然补偿效果的目的。在热应力较大的区域可以通过安装弹性支架或框架方式吸收温度应力，实现减少管道形变或位移的效果。另外，当管线没有发生较大位移时，为了减少管线变形量，长距离管道需要借助固定点将其分解为独立形状管线系统，安装固定点的位置主要为需要承受管道振动、荷载的部位以及需要控制管道位置的关键位置。

3.3 设备布置

设备布置也是提高管道自然补偿法效果的主要方法之一。当常规的补偿方法没有很好的削弱温度应力对管道系统稳定性和安全性的不利影响时，设计人员需要从管道设备布置方面入手，优化调整设备位置，规避管线应力超限问题，尽可能一次性实现管道热应力的自补偿。