簡析金屬波紋管膨脹節(jié)在管道設(shè)計中需考慮的幾個因素

苗 嶺,趙 君（延長石油集團北京石油化工工程有限公司西安分公司,西安 710075）

簡析金屬波紋管膨脹節(jié)在管道設(shè)計中需考慮的幾個因素

苗 嶺,趙 君
（延長石油集團北京石油化工工程有限公司西安分公司,西安 710075）

摘 要：金屬波紋管膨脹節(jié)在各類工程管線應(yīng)用已很廣泛。但由于工程管線布置 條件多樣、金屬波紋管膨脹節(jié)種類和應(yīng)用方法多樣，若對金屬波紋管補償器的特性與管線布置條件的結(jié)合未做充分、成熟的考慮，則會造成安全隱患。

關(guān)鍵詞：金屬波紋管膨脹節(jié)；應(yīng)用方法多樣；安全隱患

金屬波紋管膨脹節(jié)廣泛應(yīng)用在各種因管道布置條件限制且工作溫度與環(huán)境溫差造成管道應(yīng)力和設(shè)備管口受力超限的工況下。其種類多樣，如：單式軸向型、直管壓力平衡型、復式拉桿型、彎管壓力平衡型、鉸鏈角向型、萬向鉸鏈角向型等。

由于工程管道布置條件多樣、金屬波紋管膨脹節(jié)種類和應(yīng)用方法多樣，若對金屬波紋管膨脹節(jié)的特性與管線布置條件的結(jié)合未做充分、成熟的考慮，則會造成安全隱患。根據(jù)以往工程經(jīng)驗教訓，應(yīng)至少考慮如下幾個因素。

1　管道內(nèi)壓推力

為避免高壓管道巨大的內(nèi)壓推力作用于管道支架及土建結(jié)構(gòu)上，應(yīng)優(yōu)先選用自身可承受管道內(nèi)壓推力的膨脹節(jié)。

以某電廠啟動汽源管道改造工程為例。該管道規(guī)格是DN250，設(shè)計壓力1.65MPa，設(shè)計溫度350℃。

由于需在廠區(qū)內(nèi)長距離直線布置，則要使用金屬波紋管膨脹節(jié)。若使用自身不能承受管道內(nèi)壓推力的膨脹節(jié)，則各個最靠近管道盲端的固定支架在設(shè)計工況時需要承受的管道水平推力約是8.26噸力，而該規(guī)格管道的各標準固定支架均遠無法承受如此大的水平力，更不用說為承受該水平力所需付出的超過常規(guī)情況多倍的土建費用。

故該工程采用了直管壓力平衡型金屬波紋管膨脹節(jié)，該類型膨脹節(jié)可軸向補償管道熱脹，并自身承受全部的管道介質(zhì)內(nèi)壓推力。因此在使用該型膨脹節(jié)后，膨脹節(jié)只向管道上的相關(guān)支架作用其波紋管的軸向變形力，而這種軸向變形力相對較小，工程中較易處理。

經(jīng)現(xiàn)場反饋，上述管道系統(tǒng)多年來運行正常。相反，若設(shè)計中未考慮上述管道內(nèi)壓推力，則可能造成管道固定支架的管部或其土建結(jié)構(gòu)毀壞，導致管道系統(tǒng)崩潰。根據(jù)相關(guān)事故現(xiàn)場的資料，這種毀壞后果是驚人的。

2　金屬波紋管彈性力

由于上述高溫高壓管道軸向膨脹節(jié)彈性剛度在管道軸向變形量較大時，會大量累積彈性水平推力，造成膨脹節(jié)兩側(cè)固定支架較難承受。為顯著減小作用于管道固定支架上的這種水平推力，對于長距離直線布置管道，還可適當設(shè)置如“Z”“L”“П”型，并在這些管道拐彎部位上，設(shè)置橫向膨脹節(jié)組合單元，以此形式來吸收長距離直線管道的軸向熱脹。

這種橫向膨脹節(jié)組合單元，每個單元由三個角向補償單元組成（組合方式有兩種：（1）一個復式拉桿型膨脹節(jié)+一個鉸鏈型角式膨脹節(jié)；（2）三個鉸鏈型角式膨脹節(jié)）。由于這種補償方式主要是利用角向補償單元與角邊長的乘積來放大橫向膨脹節(jié)組合單元的補償能力，所以其補償能力非常大，并且產(chǎn)生的彈性變形力較軸向膨脹節(jié)小很多，管道固定支架可輕松承受這種彈性變形產(chǎn)生的水平推力。而且其布置方式靈活多變，膨脹節(jié)自身均可承受全部的管道介質(zhì)內(nèi)壓推力。

這種橫向膨脹節(jié)組合單元在工程應(yīng)用中適用面很廣，現(xiàn)場使用效果很好。

3　膨脹節(jié)所受外壓力

為防止管道非工作態(tài)時的自重及特殊工況（如管道抽真空）對膨脹節(jié)的軸向擠壓效應(yīng)，而可能使膨脹節(jié)損壞，所以在設(shè)置橫向補償組合單元時，應(yīng)優(yōu)先選用鉸鏈型膨脹節(jié)。當必須選用拉桿型膨脹節(jié)時，應(yīng)要求制造商采取措施（如在膨脹節(jié)兩端板內(nèi)側(cè)拉桿上的合適位置設(shè)置止推螺母），使其能安全抵抗上述管道自重及個別工況（如管道抽真空）對膨脹節(jié)的軸向擠壓力。

（1）當上述橫向補償單元中的復式拉桿型膨脹節(jié)布置在立管時，由于復式拉桿型膨脹節(jié)上端連接的管道有自重，該重量會在管道不工作無內(nèi)壓時，軸向擠壓復式拉桿型膨脹節(jié)，而該型膨脹節(jié)兩側(cè)端板內(nèi)側(cè)一般無緊固螺栓，所以此時該型膨脹節(jié)的波紋會受到擠壓，而這種擠壓容易超過波紋管的允許限度，且并不是該膨脹節(jié)的設(shè)計變形方式，故容易損壞波紋管。（2）當有復式拉桿型膨脹節(jié)與汽輪機直接相連時，若汽輪機冷凝器在機組啟動前抽真空，該復式拉桿型膨脹節(jié)會因與冷凝器連通而受到大氣的軸向擠壓，這種擠壓力很大，也容易如上述第1條損壞膨脹節(jié)。

所以，在上述兩種工況下的復式拉桿型膨脹節(jié)訂貨時，應(yīng)要求其在兩側(cè)端板內(nèi)側(cè)的拉桿上的合適位置，設(shè)置限位螺栓。在設(shè)置此限位螺栓后，上述擠壓力會轉(zhuǎn)移到膨脹節(jié)的拉桿上，由于桿狀物抗拉但不易抗壓，所以還應(yīng)向供貨商提出相應(yīng)的抗壓要求，以保證拉桿粗細合適。

4　安裝預變形

為充分利用各膨脹節(jié)的補償能力，可對一個補償單元在安裝時做反向預變形熱脹量的50%。這樣無論對于何種膨脹節(jié)設(shè)置方式，都有利于減少工作狀態(tài)時管道及管道支架受力，有利于管道安全穩(wěn)定運行。

5　管道支架摩擦力

設(shè)置膨脹節(jié)的管道中會有分割管道膨脹區(qū)段的固定支架，在布置水平管道時，應(yīng)將這種固定支架兩側(cè)直接相連的剛性管道總重盡量設(shè)置相等。因為管道支架會有摩擦力，當管道工作受熱變形時，管道的各滑動支架會滑動，這時滑動摩擦力會反向作用于相應(yīng)的固定支架。若該固定支架兩側(cè)的剛性管道總重相差較大，會對該固定支架產(chǎn)生較大的水平摩擦反向推力，這種推力也容易很大，而損壞該固定支架。

根據(jù)工程經(jīng)驗，上述情況下，該水平摩擦反向推力可取：（固定支架單側(cè)直接相連的剛性管道多側(cè)總重-固定支架單側(cè)直接相連的剛性管道少側(cè)總重×70%）×管道滑動支架摩擦系數(shù)。

綜上所述，在設(shè)計含有金屬波紋管膨脹節(jié)的管道時，需要充分考慮至少上述五種因素對管道布置及膨脹節(jié)的影響，以避免安全隱患，保證整個管道系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家標準[S].金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件.2008.

[2]中國石油天然氣股份有限公司[S].金屬波紋管膨脹節(jié)安裝規(guī)范.2010.

作者簡介：苗嶺（1979-），男，河南通許人，熱工，工程師。