波紋管膨脹節(jié)在大口徑熱力管道中的應(yīng)用

邢昀(天津辰鑫石化工程有限公司， 天津 300270)

波紋管膨脹節(jié)在大口徑熱力管道中的應(yīng)用

邢昀(天津辰鑫石化工程有限公司， 天津 300270)

隨著項(xiàng)目規(guī)模大型化和環(huán)境要求的日益提高，系統(tǒng)溫度與壓力越來(lái)越高。大口徑管道的應(yīng)用也越來(lái)越多，筆者就波紋管膨脹節(jié)在大口徑熱力管道中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

大口徑熱力管道；應(yīng)力；波紋管膨脹節(jié)

國(guó)家對(duì)環(huán)境治理的愈加重視與要求的提高，煙氣脫硫回收的項(xiàng)目井噴式的出現(xiàn)。電力行業(yè)中的濕法煙氣脫硫的管道雖然口徑較大，但溫度壓力都很低，并不需要單獨(dú)的做應(yīng)力分析。石油煉化行業(yè)中的有害氣體多為硫化氫，采用高溫環(huán)境下與水反應(yīng)制硫酸的方法脫硫，經(jīng)加熱爐獲得的高溫酸性氣溫度高達(dá)480℃，煙氣管道口徑都在DN1000以上。此類(lèi)管道的應(yīng)力分析關(guān)乎項(xiàng)目的設(shè)備布置，合理規(guī)劃尤為重要。

管線(xiàn)的熱補(bǔ)償方式主要為自然補(bǔ)償或選用適當(dāng)型式的補(bǔ)償器。此次討論的大口徑薄壁管線(xiàn)由于設(shè)備布置緊湊，靠更改管道走向或使用填料函式補(bǔ)償器都無(wú)法滿(mǎn)足要求。選用波紋管膨脹節(jié)成為補(bǔ)償管道熱位移的最佳方案。

1 波紋管膨脹節(jié)的種類(lèi)

波紋管膨脹節(jié)可從材質(zhì)上分為金屬波紋管膨脹節(jié)和非金屬波紋管膨脹節(jié)。型式上可分為單式軸向型膨脹節(jié)、單式鉸鏈型膨脹節(jié)、單式萬(wàn)向鉸鏈型膨脹節(jié)、復(fù)式自由型膨脹節(jié)、復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)、復(fù)式鉸鏈型膨脹節(jié)、復(fù)式萬(wàn)向鉸鏈型膨脹節(jié)、彎管壓力平衡型膨脹節(jié)、直管壓力平衡型膨脹節(jié)、旁通直管壓力平衡型膨脹節(jié)、外壓軸向型膨脹節(jié)。

2 波紋管膨脹節(jié)中單波吸收熱位移能力是相同的

雖然理論上增加波的個(gè)數(shù)可大幅提高波紋管膨脹節(jié)的吸收能力，但波的個(gè)數(shù)增加容易產(chǎn)生失穩(wěn)，這種方式并不可行。吸收橫向位移量較大的位置應(yīng)考慮選擇復(fù)式自由型膨脹節(jié)，其總長(zhǎng)度可與單式軸向型波紋管相同，只需增加兩波間直管段長(zhǎng)度即可大幅提高橫向補(bǔ)償量。

波紋管通變形來(lái)吸收管道的熱位移，剛度必然很小，系統(tǒng)加壓時(shí)波紋管不能承受管道的縱向應(yīng)力，根據(jù)GB/T12777可知波紋管產(chǎn)生壓力推力的大小。由單式軸向型與復(fù)式自由型膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)可知，軸向止推架上的水平推力為管道摩擦力，膨脹節(jié)壓力推力與膨脹節(jié)彈性力的和。由于拉桿型膨脹節(jié)壓力推力會(huì)由拉桿吸收，鉸鏈型膨脹節(jié)壓力推力會(huì)由鉸鏈吸收，故作用在軸向止推架上的水平推力只為管道摩擦力與膨脹節(jié)彈性力的和。經(jīng)筆者計(jì)算DN1200波紋管的釋放的壓力推力為23KN，吸收100mm軸向熱位移產(chǎn)生的彈性力為33KN，這種附加力無(wú)疑是巨大的。故在使用波紋管膨脹節(jié)時(shí)一定要注意水平推力對(duì)結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)的影響，保證膨脹節(jié)在使用中的可行性。

3 膨脹節(jié)的設(shè)置

(1)在膨脹節(jié)設(shè)置上筆者從工藝流程入手，高溫?zé)煔夤艿澜?jīng)廢熱鍋爐到冷卻器的溫度保持在450℃左右；冷卻器到煙筒之間的管道從280℃遞減到100℃，且煙氣中腐蝕性組分已經(jīng)極低。綜合考慮安全與經(jīng)濟(jì)要素，冷卻器前煙氣管線(xiàn)選用金屬膨脹節(jié)，冷卻器后的煙氣管線(xiàn)選用非金屬膨脹節(jié)。

(2)在型式的選擇上，筆者原則上選用單式軸向型膨脹節(jié)。此膨脹節(jié)軸向吸收能力很強(qiáng)橫向吸收能力較弱，在直管道上設(shè)置最為合適。單式軸向型膨脹節(jié)在L型管路中設(shè)置會(huì)吸收一定量的橫向位移，由此產(chǎn)生的橫向彈性力較大，應(yīng)注意設(shè)備口受力是否超標(biāo)且壓力推力會(huì)使距離最近的彎頭一次應(yīng)力增加，必要時(shí)可增設(shè)彎管支托吸收壓力推力保證裝置運(yùn)行安全。Z型管路中可在管路中間位置設(shè)置止推支架將管路分割為兩個(gè)L型管路進(jìn)行考慮。

(3)舉例說(shuō)明 下面，結(jié)合實(shí)際，對(duì)項(xiàng)目中一處有代表性的空間Z型管道的補(bǔ)償方式進(jìn)行說(shuō)明。管線(xiàn)為DN1500的煙氣管，溫度高達(dá)460℃，直線(xiàn)展開(kāi)長(zhǎng)度11．6米。第一種方案為順介質(zhì)流向使用彎管壓力平衡型膨脹節(jié)，經(jīng)過(guò)筆者模擬計(jì)算其結(jié)果能夠較好的吸收管道在各個(gè)方向上產(chǎn)生的位移，且管口受力符合設(shè)備要求。但此類(lèi)型的膨脹節(jié)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)在盲端沉積粉塵，遭到工藝專(zhuān)業(yè)的否定。第二種方案是選用三個(gè)單式萬(wàn)向鉸鏈型膨脹節(jié)配合使用，此方案經(jīng)模擬可以吸收管道熱位移，但由于三個(gè)補(bǔ)償器重量較大，重量全部加載到管口上，導(dǎo)致設(shè)備管口校核無(wú)法通過(guò)。由于設(shè)備管口向上熱脹量在150mm左右，附近無(wú)可用構(gòu)架可以在高度和載荷上滿(mǎn)足恒力彈簧支撐要求，這種方案也被否定。已沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)型式的膨脹節(jié)可以滿(mǎn)足要求，故與膨脹節(jié)廠(chǎng)家協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)非標(biāo)波紋管膨脹節(jié)來(lái)解決問(wèn)題。第三種方案見(jiàn)圖。

第三種方案精妙的把將彎頭與X向管道包含在膨脹節(jié)中，管道X向位移都由膨脹節(jié)內(nèi)部吸收。由于將彎頭包含在膨脹節(jié)中，故膨脹節(jié)在完全吸收R-104向上熱位移和入口管道軸向熱位移的同時(shí)能夠滿(mǎn)足R-104設(shè)備管口受力要求。由于R-103固定端支耳在設(shè)備左側(cè)與膨脹節(jié)入口端焊縫在X方向距離相近，可認(rèn)為設(shè)備與彎頭同時(shí)向X方向熱脹。故膨脹節(jié)只需吸收R-103向上的熱位移就能夠滿(mǎn)足R-103管口受力要求。膨脹節(jié)的拉桿可以吸收膨脹節(jié)的壓力推力；并且兩波紋管距離較大，橫向剛度很小，使用中并不會(huì)產(chǎn)生較大的橫向彈性力；由膨脹節(jié)附加結(jié)構(gòu)重量不高，并不需要做結(jié)構(gòu)支架，此方案滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

由于管道布置千變?nèi)f化，膨脹節(jié)選用不僅要考慮管道熱位移的吸收結(jié)構(gòu)支架的設(shè)置，還應(yīng)考慮在不同操作工況檢修狀態(tài)下都能夠滿(mǎn)足要求。

[1]GB50316-2008工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]SH/T3059-2012石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用規(guī)范[S].

[3]GB/T12777-2008金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)規(guī)范[S].

邢昀(1989-)，男，吉林白城人，工程師，2012年畢業(yè)于吉林化工學(xué)院過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)，主要從事石油化工管道應(yīng)力分析工作。