江西省城建设计研究院有限公司 江西 南昌 330088

工业长距离管道运行过程中,受输送介质温度、环境温度及介质压力的影响管道沿线会产生热胀冷缩的现象。为了克服因形变热应力而导致的管路及连接设备损坏,在设计和施工的过程中必须考虑管道沿线安装必要数量的补偿装置。

贵溪冶炼厂供油车间Ф159重油输送管道(总长约1400m)自86年投入使用以来,每年大修期间,都要将该管路沿线的13处波形补偿器进行更换。波纹补偿器运行中重复性损坏,究其原因有两个方面:其一,产品本身设计、制造缺陷(属质量问题)抑或安装不规范造成;其二,管路沿线设置补偿器数量不够,即管道形变总量△L大于补偿器的补偿总量。

这是一个困扰多年的老大难问题。为确保该管线长时间安全、稳定、经济运行,技术改造势在必行。我作为施工方技术负责人,受邀参加了车间技改项目讨论并提出两种选择方案:一是采用其他类型补偿器;二是在原有基础上增设补偿器。新增设波纹管的话,那只能在每2台补偿器的中间位置再加装1台,也就是需要增设12台,总共要25台。无论从施工难度和投入资金而言,我偏向于第一方案。

在对重油输送压力、温度、流量作细致调查并作初步计算后,供油车间采纳了本人提出的更换“方形伸缩器”方案并得到厂部批准。因工期紧,施工前期准备不足,委托加工时间不允许且我方不具备现场按正常工序煨制条件。最后,决定尝试用Φ159*6.0无缝钢管及国标90o冲压弯头焊接法试制(Ι)型方形补偿器。查阅有关资料并结合实际情况,我设计如下方案进行测试:

分别截取W=2000mmФ159管1段,H=1000mm管2段及800mm补偿器外沿管2段并在管道两端进行45°坡口处理。第一件冲压弯头焊接式伸缩器制作完成后,在补偿器下弯头焊缝上端5cm处,左右对称各焊接2只Φ18圆钢制作的U型吊环,总共4只。用新插接好Φ14mm的钢丝绳及5t手拉葫芦与制作现场附近一座钢筋砼水池外壁原预埋外露的Φ24mm大U型吊装环连接,在做好必要的安全防范措施后,分别对该补偿器进行预拉伸(抗拉)和预压缩(抗压)试验,试验结果令人欣慰:轻轻松松将△L达到30cm,如果再继续,估计△L达到45cm都没问题。抗拉抗压试验过程如下图所示:

方形补偿器特定规格下的参考理论补偿量,截取表格中需要部分,如下:

补偿能力ΔL(mm) 型号公称直径(mm)20 25 32 40 50 65 80 100 125 150 200 250外升臂长H=A+2R(mm)150 1 - 1100 1260 1270 1310 1400 1570 1730 1920 2120 2500 -2 - 1330 1450 1540 1550 1660 1760 1920 2100 2280 2630 2800

从上表查得,(Ⅰ)煨制方形补偿器,Ф159*6.0mm,H=2000mm时,ΔL=15cm,而冲压弯头焊接式(Ⅰ)方形补偿器ΔL实测数值轻松达到30cm,且还有相当大的伸缩空间(或者说还有较大富裕量)。换言之,一般性低压热力管网或者GB50160《石油化工企业设计规范》及GBJ16《建筑设计防火规范》中规定的GC2级甲、乙类可燃液体介质且设计压力P＜4.0MPa的管道,用冲压弯头焊接式方形补偿器替代煨弯方形补偿器应该是可行的。该重油输送管道的设计工作压力P＜1.0MPa,温度＜100℃,实际工作压力在0.45-0.55MPa,温度在70-90℃之间。

波纹管补偿器的补偿量ΔL通常在80-120mm。取中间值100mm估算,13台波纹补偿器的总补偿量为130cm,而试制的冲压弯头焊接方形补偿器的有效补偿量ΔL为30cm,也就是说,一件方形补偿器能低3台波纹管补偿器用。理论上5*30cm-13*10cm=20cm,至有20cm的富裕量,也就是说至少要5件以上冲压弯方形补偿器才能到的之前的工作状态,考虑30%左右的安全系数(保险系数),方形补偿器的安装数量则至少在7件以上,也不是越多越好,太多对经济运行不利,现暂且按7件进行估算。

管道运行时,输送介质除了产生沿程阻力损失(此技改工程沿程压力损失近似或等同)之前的数值,故忽略计算过程;在流经各管件、阀门、及附属设施时也要产生局部阻力损失。计算关系式如下:

hj:局部阻力损失,单位m

ζ:局部阻力系数

ρ:流体密度,单位kg/m2

v:介质平均流速,单位m/s

g:重力加速度,单位m/s2

该DN150管网设计流量为120t/h,重油的输送速度v=ρ*Q/Sj,则重油v≈1.78m/s,波纹补偿器和冲压弯头的局部阻力系数可以从《设计手册》中分别查得为0.06和1.0,则更换后增加的局部阻力

ΔPf:方形伸缩器总阻力系数

ΔPb:波纹伸缩器总阻力系数

式中Δζ=4×7×1.0-13×0.06=27.61 将v=1.78m/s 代入上式,得:

ΔP=27.61×0.95×1.782m2/s2÷2÷9.81m/s2=4.23 m=0.04MPa

也就是说,更换方形补偿器后,油泵的输出压力较之前必须增加0.04MPa,这对于油泵工作压力0.45-0.55MPa而言,仅仅有9%左右的提升,完全在设计压力允许范围内。显然,试制是成功的,至今投稿使用18年了,冲压弯补偿器运行一切正常,仅仅重油管线的伴热管及外保温层做过几次维修。再次证明,这是一次大胆而成功的尝试!