沖壓彎頭焊接式方形補償器在實際工程中的嘗試應用

江西省城建設計研究院有限公司 江西 南昌 330088

工業長距離管道運行過程中,受輸送介質溫度、環境溫度及介質壓力的影響管道沿線會產生熱脹冷縮的現象。為了克服因形變熱應力而導致的管路及連接設備損壞,在設計和施工的過程中必須考慮管道沿線安裝必要數量的補償裝置。

貴溪冶煉廠供油車間Ф159重油輸送管道(總長約1400m)自86年投入使用以來,每年大修期間,都要將該管路沿線的13處波形補償器進行更換。波紋補償器運行中重復性損壞,究其原因有兩個方面:其一,產品本身設計、制造缺陷(屬質量問題)抑或安裝不規范造成;其二,管路沿線設置補償器數量不夠,即管道形變總量△L大于補償器的補償總量。

這是一個困擾多年的老大難問題。為確保該管線長時間安全、穩定、經濟運行,技術改造勢在必行。我作為施工方技術負責人,受邀參加了車間技改項目討論并提出兩種選擇方案:一是采用其他類型補償器;二是在原有基礎上增設補償器。新增設波紋管的話,那只能在每2臺補償器的中間位置再加裝1臺,也就是需要增設12臺,總共要25臺。無論從施工難度和投入資金而言,我偏向于第一方案。

在對重油輸送壓力、溫度、流量作細致調查并作初步計算后,供油車間采納了本人提出的更換“方形伸縮器”方案并得到廠部批準。因工期緊,施工前期準備不足,委托加工時間不允許且我方不具備現場按正常工序煨制條件。最后,決定嘗試用Φ159*6.0無縫鋼管及國標90o沖壓彎頭焊接法試制(Ι)型方形補償器。查閱有關資料并結合實際情況,我設計如下方案進行測試:

分別截取W=2000mmФ159管1段,H=1000mm管2段及800mm補償器外沿管2段并在管道兩端進行45°坡口處理。第一件沖壓彎頭焊接式伸縮器制作完成后,在補償器下彎頭焊縫上端5cm處,左右對稱各焊接2只Φ18圓鋼制作的U型吊環,總共4只。用新插接好Φ14mm的鋼絲繩及5t手拉葫蘆與制作現場附近一座鋼筋砼水池外壁原預埋外露的Φ24mm大U型吊裝環連接,在做好必要的安全防范措施后,分別對該補償器進行預拉伸(抗拉)和預壓縮(抗壓)試驗,試驗結果令人欣慰:輕輕松松將△L達到30cm,如果再繼續,估計△L達到45cm都沒問題。抗拉抗壓試驗過程如下圖所示:

方形補償器特定規格下的參考理論補償量,截取表格中需要部分,如下:

補償能力ΔL(mm) 型號公稱直徑(mm)20 25 32 40 50 65 80 100 125 150 200 250外升臂長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

從上表查得,(Ⅰ)煨制方形補償器,Ф159*6.0mm,H=2000mm時,ΔL=15cm,而沖壓彎頭焊接式(Ⅰ)方形補償器ΔL實測數值輕松達到30cm,且還有相當大的伸縮空間(或者說還有較大富裕量)。換言之,一般性低壓熱力管網或者GB50160《石油化工企業設計規范》及GBJ16《建筑設計防火規范》中規定的GC2級甲、乙類可燃液體介質且設計壓力P＜4.0MPa的管道,用沖壓彎頭焊接式方形補償器替代煨彎方形補償器應該是可行的。該重油輸送管道的設計工作壓力P＜1.0MPa,溫度＜100℃,實際工作壓力在0.45-0.55MPa,溫度在70-90℃之間。

波紋管補償器的補償量ΔL通常在80-120mm。取中間值100mm估算,13臺波紋補償器的總補償量為130cm,而試制的沖壓彎頭焊接方形補償器的有效補償量ΔL為30cm,也就是說,一件方形補償器能低3臺波紋管補償器用。理論上5*30cm-13*10cm=20cm,至有20cm的富裕量,也就是說至少要5件以上沖壓彎方形補償器才能到的之前的工作狀態,考慮30%左右的安全系數(保險系數),方形補償器的安裝數量則至少在7件以上,也不是越多越好,太多對經濟運行不利,現暫且按7件進行估算。

管道運行時,輸送介質除了產生沿程阻力損失(此技改工程沿程壓力損失近似或等同)之前的數值,故忽略計算過程;在流經各管件、閥門、及附屬設施時也要產生局部阻力損失。計算關系式如下:

hj:局部阻力損失,單位m

ζ:局部阻力系數

ρ:流體密度,單位kg/m2

v:介質平均流速,單位m/s

g:重力加速度,單位m/s2

該DN150管網設計流量為120t/h,重油的輸送速度v=ρ*Q/Sj,則重油v≈1.78m/s,波紋補償器和沖壓彎頭的局部阻力系數可以從《設計手冊》中分別查得為0.06和1.0,則更換后增加的局部阻力

ΔPf:方形伸縮器總阻力系數

ΔPb:波紋伸縮器總阻力系數

式中Δζ=4×7×1.0-13×0.06=27.61 將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

也就是說,更換方形補償器后,油泵的輸出壓力較之前必須增加0.04MPa,這對于油泵工作壓力0.45-0.55MPa而言,僅僅有9%左右的提升,完全在設計壓力允許范圍內。顯然,試制是成功的,至今投稿使用18年了,沖壓彎補償器運行一切正常,僅僅重油管線的伴熱管及外保溫層做過幾次維修。再次證明,這是一次大膽而成功的嘗試!