化工管道設(shè)計(jì)中的自然補(bǔ)償法

朱文慧

（武漢金中石化工程有限公司，湖北武漢 430223）

在工業(yè)化建設(shè)進(jìn)程不斷加快的新產(chǎn)業(yè)時(shí)代背景下，管道作為能量供應(yīng)及燃料資源的重要運(yùn)輸載體，熱脹冷縮是管道受外界溫度變化而引起的不可避免現(xiàn)象，長(zhǎng)此以往管道設(shè)計(jì)尺寸會(huì)發(fā)生一定變化，倘若企業(yè)單位未能在第一時(shí)間進(jìn)行及時(shí)、有效的補(bǔ)償，當(dāng)管道應(yīng)力超過(guò)管道自身許用應(yīng)力范圍時(shí)，管道就會(huì)被破壞，從而增加企業(yè)運(yùn)行和維護(hù)成本的同時(shí)，給人們的生命財(cái)產(chǎn)埋下巨大安全隱患，就目前來(lái)看，“自然補(bǔ)償”是一種最經(jīng)濟(jì)、最有效且最可靠的補(bǔ)償方式，將其應(yīng)用于管道設(shè)計(jì)中是推動(dòng)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)和根本前提。

1 化工管道設(shè)計(jì)中“自然補(bǔ)償”方式作業(yè)對(duì)象

在當(dāng)前化工管道設(shè)計(jì)作業(yè)過(guò)程中，補(bǔ)償方式有兩種∶人工補(bǔ)償和自然補(bǔ)償，其中無(wú)論是實(shí)用性、高效性和經(jīng)濟(jì)性，自然補(bǔ)償都具有顯著應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)階段化工管道設(shè)計(jì)處理中常用的一種補(bǔ)償方式。就目前來(lái)看，不同公稱管徑長(zhǎng)度的管道，進(jìn)行“自然補(bǔ)償”時(shí)的外界溫度臨界點(diǎn)也不盡相同，對(duì)于管徑在100mm 以上的化工管道，倘若運(yùn)輸溫度高于230℃或者低于20℃時(shí)，此時(shí)就需要化工企業(yè)工作人員進(jìn)行自然補(bǔ)償處理，而對(duì)于管徑在150mm 以上的化工管道，當(dāng)運(yùn)輸溫度超過(guò)120℃時(shí)就要進(jìn)行自然補(bǔ)償處理，與此同時(shí)在對(duì)管徑150mm 以上化工管道進(jìn)行自然補(bǔ)償時(shí)，由于和空冷器相連接的管道材料很容易在后續(xù)長(zhǎng)期應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)熱脹冷縮問(wèn)題，工作人員必須確保處理強(qiáng)度的合理性、科學(xué)性和有效性。除此之外，在化工管道鋪設(shè)過(guò)程中，倘若與壓力容器相連接的管道亦或是相應(yīng)管廊公稱直徑在150mm 以上的管道需要進(jìn)行自然補(bǔ)償處理時(shí)，若處理不當(dāng)或處理工作沒(méi)有落實(shí)到實(shí)處，從某方面而言不僅極易引發(fā)各種安全問(wèn)題，甚至給企業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)造成極為不利的影響，最終嚴(yán)重破壞了社會(huì)的穩(wěn)定性、和諧性和安穩(wěn)性。

2 化工管道設(shè)計(jì)中“自然補(bǔ)償”方式的基本概述

“自然補(bǔ)償”其實(shí)就是利用管道本身自然彎曲彈性，對(duì)管道熱變形或其他部位位移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊环N方式，而常見(jiàn)的自然補(bǔ)償有三種方式，即L 形直角彎、Z 形折角彎和π 形彎。

2.1 L形直角彎自然補(bǔ)償概述

在對(duì)化工管道進(jìn)行補(bǔ)償處理過(guò)程中，L 形直角彎自然補(bǔ)償是最常見(jiàn)，也是最簡(jiǎn)單的一種補(bǔ)償方式，其主要就是利用一個(gè)彎頭組成的轉(zhuǎn)彎，來(lái)對(duì)位移區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊环N形式，在確保管道體系達(dá)到理想保護(hù)效果的基礎(chǔ)上，最大程度地規(guī)避后期各類熱脹冷縮的再次出現(xiàn)，進(jìn)而為最終理想效果的取得奠定良好基礎(chǔ)。

在L 形直角彎自然補(bǔ)償作業(yè)過(guò)程中，對(duì)L 形自然補(bǔ)償短臂長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算是極為必要的，其計(jì)算公式為：L=1.1（ΔL（長(zhǎng)臂L有效熱伸長(zhǎng)量）Dw（管道外徑）/300）1/2。在進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，為確保計(jì)算的科學(xué)性、合理性和準(zhǔn)確度，基層產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)和相關(guān)主管部門(mén)的工作人員需綜合考慮整個(gè)L 形直角彎的長(zhǎng)臂可能出現(xiàn)的熱伸長(zhǎng)量，如針對(duì)L 形管段受熱變形由導(dǎo)向支架開(kāi)始、由二臂導(dǎo)向支架開(kāi)始以及由固定架開(kāi)始，以此為預(yù)期處理目標(biāo)的獲得奠定良好基礎(chǔ)。示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 L形直角彎自然補(bǔ)償設(shè)計(jì)示意圖

2.2 Z形折角彎自然補(bǔ)償概述

Z 形折角彎主要是利用二個(gè)彎頭組成的轉(zhuǎn)彎，來(lái)對(duì)位移區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償方式和補(bǔ)償效果也極為突出。與L 形直角彎自然補(bǔ)償相比，Z 形折角彎自然補(bǔ)償與企業(yè)有著一定的相似之處，即它也需要各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，不同的是它的處理涉及兩個(gè)彎頭，計(jì)算難度相對(duì)較高。

在Z 形折角彎自然補(bǔ)償作業(yè)過(guò)程中，對(duì)Z 形折角彎補(bǔ)償短臂長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算是極為必要的，其計(jì)算公式為：l={6ΔLEDw/107[σbw]（1+1.2n）}1/2，其中E為管道材料彈性模量（MPa），[σbw]為彎曲應(yīng)力（MPa）。在進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，為確保計(jì)算的科學(xué)性、合理性和準(zhǔn)確度，基層產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)和相關(guān)主管部門(mén)的工作人員需綜合考慮整個(gè)Z 形折角彎的長(zhǎng)臂可能出現(xiàn)的熱伸長(zhǎng)量，如針對(duì)Z 形管段受熱變形由導(dǎo)向支架開(kāi)始、由二臂導(dǎo)向支架開(kāi)始以及由固定架開(kāi)始，與L 形不同的是，Z 型僅有二個(gè)方向位移和推力，靠?jī)伤奖鄣淖冃窝a(bǔ)償吸收垂直臂變形產(chǎn)生的應(yīng)力，水平臂越長(zhǎng)其補(bǔ)償能力越大。除此之外，Z 型自然補(bǔ)償也可以設(shè)計(jì)成立體的，立體Z 型可以同時(shí)利用管段的徑向和扭轉(zhuǎn)變形吸收其相鄰管段的熱伸長(zhǎng)，因而其補(bǔ)償性能較平面Z 型要好。示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 Z形折角彎自然補(bǔ)償設(shè)計(jì)示意圖

2.3 π形彎自然補(bǔ)償概述

π 形彎主要是利用四個(gè)或六個(gè)彎頭組成的轉(zhuǎn)彎，來(lái)對(duì)位移區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)償，主要針對(duì)的是一些需要補(bǔ)償強(qiáng)度較大的化工管道區(qū)域。與L 形直角彎自然補(bǔ)償和Z 形折角彎自然補(bǔ)償相比，π 形彎既可水平布置，也可立體布置，當(dāng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的π 形進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，為確保補(bǔ)償?shù)目茖W(xué)性、合理性和有效性，需盡量采取統(tǒng)一和集中設(shè)置處理方式。除此之外，在進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，管徑較大、溫度較高需要較大補(bǔ)償量的管道設(shè)置在外側(cè)，管徑較小，溫度相對(duì)較低的管道設(shè)置在內(nèi)側(cè)。

就目前來(lái)看，隨著城市化、工業(yè)化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，企業(yè)規(guī)模持續(xù)增加的同時(shí)，π 形自然補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用率也不斷提高，在進(jìn)行補(bǔ)償位置選擇時(shí)，基層產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)和相關(guān)主管部門(mén)的工作人員需從根本上提高對(duì)π 型自然補(bǔ)償方式應(yīng)用的重視度，在全面綜合考慮管道布置空間和現(xiàn)場(chǎng)位置的基礎(chǔ)上，還要將其設(shè)在兩固定支架之間，且在兩固定架中間位置為最佳，若不能滿足此條件，它與固定點(diǎn)的間距應(yīng)盡可能的小。

圖3 π形彎4個(gè)彎頭自然補(bǔ)償設(shè)計(jì)示意圖

圖4 π形彎6個(gè)彎頭自然補(bǔ)償設(shè)計(jì)示意圖

3 現(xiàn)階段在化工管道設(shè)計(jì)中自然補(bǔ)償優(yōu)化策略

3.1 不斷地提高管道自身彈性度

自然補(bǔ)償其實(shí)主要就是利用管道自身彈性度進(jìn)行位移補(bǔ)償?shù)囊环N方式，要想從根本上提高自然補(bǔ)償能力和作業(yè)效率，提高管道自身彈性度是極為必要性，換言之就是確保管道具有一定彈性，是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的重要戰(zhàn)略性策略。據(jù)調(diào)查，對(duì)管道彈性大小的影響因素主要有管道的形狀、長(zhǎng)度、尺寸以及彈性模量，因此在進(jìn)行化工管道設(shè)計(jì)和施工作業(yè)過(guò)程中，基層產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)和相關(guān)主管部門(mén)需提高對(duì)管道采購(gòu)作業(yè)的重視度，通過(guò)采購(gòu)合理化管道來(lái)進(jìn)行施工，減少后期維護(hù)成本的同時(shí)，避免返工問(wèn)題的出現(xiàn)，最終為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

3.2 利用管支架改善管道自然補(bǔ)償能力

就目前來(lái)看，在進(jìn)行自然補(bǔ)償能力改善過(guò)程中，利用管支架對(duì)其補(bǔ)償能力進(jìn)行改善，也是現(xiàn)階段基層產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)和相關(guān)主管部門(mén)進(jìn)行補(bǔ)償能力提升的重要戰(zhàn)略性舉措。從某方面而言，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，一方面基層產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)工作人員需充分利用固定支架或者是彈性支架，在將移量控制在合理范圍內(nèi)的基礎(chǔ)上，通過(guò)分散與吸收管道局部產(chǎn)生的熱應(yīng)力，達(dá)到提高自然補(bǔ)償能力的效果；另一方面相關(guān)人員還可在設(shè)置化工管道固定點(diǎn)期間，把該點(diǎn)設(shè)置在承受沖擊力最大的位置，從而減少位移發(fā)生頻率，降低工程返工作業(yè)成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

化工企業(yè)作為推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其建設(shè)規(guī)模和數(shù)量持續(xù)增加的同時(shí)，管道鋪設(shè)量也持續(xù)增加。作為燃料運(yùn)輸載體，管道設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性和有效性，對(duì)于企業(yè)發(fā)展而言有著重要影響，但由于受外界溫度變化的影響，管道自身會(huì)產(chǎn)生一定的位移，若未能及時(shí)對(duì)其進(jìn)行處理更極有可能危及人們生命財(cái)產(chǎn)安全，為此要想從根本上規(guī)避上述問(wèn)題的出現(xiàn)，充分發(fā)揮化工產(chǎn)業(yè)的積極作用，在化工管道設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考慮管道熱脹冷縮問(wèn)題也是十分必要的，為此相關(guān)部門(mén)需不斷地創(chuàng)新與完善化工管道設(shè)計(jì)中的自然補(bǔ)償法，我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。