波紋管膨脹節(jié)在工程中的應(yīng)用

楊 建

（長(zhǎng)嶺煉化岳陽(yáng)工程設(shè)計(jì)有限公司，湖南岳陽(yáng) 414000）

波紋管膨脹節(jié)由一個(gè)或幾個(gè)波紋管及結(jié)構(gòu)件組成，用來(lái)吸收由于熱脹冷縮等原因引起的管道和（或）設(shè)備尺寸變化的裝置[1]，以防因熱膨脹造成管系不穩(wěn)、設(shè)備損壞，從而影響裝置長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。波紋管膨脹節(jié)作為一個(gè)特殊的管道部件，具有占地空間小、裝配簡(jiǎn)單、維修方便、補(bǔ)償方式靈活、補(bǔ)償量大等優(yōu)點(diǎn)，在石油、化工、電力、核能等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2～4]。因此正確地選擇、設(shè)計(jì)膨脹節(jié)是管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[5]。

1 波紋管膨脹節(jié)的類型

1.1 按補(bǔ)償形式分類

波紋管膨脹節(jié)按補(bǔ)償形式分類，可以分為橫向型、軸向型、角向型及壓力平衡型膨脹節(jié)[6]。橫向型膨脹節(jié)可吸收垂直于膨脹節(jié)軸線的位移；軸向型膨脹節(jié)可吸收膨脹節(jié)的軸向位移；角向型膨脹節(jié)組合使用2～3個(gè)單式鉸鏈型膨脹節(jié)，來(lái)吸收單平面角位移，即吸收一個(gè)方向或多個(gè)方向的橫向變形；萬(wàn)向角型膨脹節(jié)，組合多個(gè)單式鉸鏈型膨脹節(jié)或單式萬(wàn)向膨脹節(jié)，來(lái)吸收在空間系統(tǒng)中的多方向的橫向位移；壓力平衡型膨脹節(jié)是能平衡波紋管壓力推力的膨脹節(jié)。

1.2 按是否約束壓力推力分類

波紋管膨脹節(jié)在工作狀態(tài)下對(duì)壓力推力的約束情況，可分為約束型和非約束型兩大類[1]。其中，鉸鏈型、拉桿型、壓力平衡型膨脹節(jié)為約束型膨脹節(jié)，其自身的約束構(gòu)件來(lái)承受其所產(chǎn)生的盲板力，適合管系長(zhǎng)度限制、空間受限的條件下使用。單式軸向型、外壓軸向型、復(fù)式自由型、比例連桿復(fù)式自由型膨脹節(jié)為非約束型膨脹節(jié)。非約束型膨脹節(jié)本身不能承受壓力推力，應(yīng)合理布置固定支架及導(dǎo)向架，以均衡其兩端的固定支架所受到的水平推力。

1.3 按材質(zhì)分類

波紋管膨脹節(jié)從材質(zhì)上可分為金屬波紋管膨脹節(jié)和非金屬波紋管膨脹節(jié)。金屬波紋管常用材質(zhì)有不銹鋼、合金鋼等。非金屬波紋管膨脹節(jié)材質(zhì)一般有聚四氟乙烯、纖維織物等。

1.4 按連接方式分類

波紋管膨脹節(jié)與管道連接方式可以分為焊接連接和法蘭連接。

2 支架的設(shè)置

合理設(shè)計(jì)管路系統(tǒng)的支架，可確保波紋管膨脹節(jié)正常工作。約束型和非約束型波紋管膨脹節(jié)對(duì)管系的支架有不同的要求。波紋管膨脹節(jié)的支架分為固定支架和導(dǎo)向支架。

2.1 固定支架的設(shè)置

設(shè)置固定支架是用來(lái)吸收管系荷載及控制位移方向的[1]。固定支架可分為主固定支架、中間固定支架、定向固定支架。

主固定支架主要承受的荷載有：①各工況下的壓力推力；②膨脹節(jié)長(zhǎng)度變化引起的位移反力；③管道在導(dǎo)向管架上移動(dòng)的摩擦阻力；④管道重量；⑤沖擊荷載如管道方向改變處介質(zhì)流動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力、操作快開(kāi)閥引起的沖擊荷載；⑥風(fēng)載等。約束型波紋管膨脹節(jié)的壓力推力由鉸鏈板或拉桿約束，故不需要設(shè)置主固定支架。對(duì)有非約束型膨脹節(jié)的管路，必須設(shè)置主固定支架，主固定支架設(shè)置的位置一般有5處，分別為管道介質(zhì)流向改變處、管道盲端、同一直管段上兩個(gè)直徑不同的膨脹節(jié)之間、兩個(gè)無(wú)約束膨脹節(jié)之間裝有截止閥或減壓閥處、帶有一個(gè)無(wú)約束膨脹節(jié)的旁路支管與主管的連接處。一般在管系的始末端或轉(zhuǎn)彎處固定支架所受推力最大。

中間固定支架需承受除壓力推力外的其他荷載，定向固定管架僅在一個(gè)方向允許管道位移，也起到了導(dǎo)向支架的作用。

2.2 導(dǎo)向支架的設(shè)置

為保證膨脹節(jié)沿規(guī)定的方向位移，并避免管系失穩(wěn)，膨脹節(jié)應(yīng)盡量靠近固定支架，且必須設(shè)置導(dǎo)向支架。導(dǎo)向支架一般為剛性支架，除了支撐重力外，它還承受管道與管架之間的摩擦力[6]。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程實(shí)例一

某廠硫酸裝置采用丹麥托普索公司的濕氣制酸（WSA）法工藝。從外裝置來(lái)的含H2S酸性氣與燃料氣一起經(jīng)噴嘴進(jìn)入焚燒爐，經(jīng)熱空氣助燃，生成約980℃的工藝氣，因焚燒爐與廢熱鍋爐直接相連，不需要管道連接，工藝氣進(jìn)入廢熱鍋爐，與汽包來(lái)的鍋爐水交換熱量，冷卻至470℃，再經(jīng)管道1輸送至蒸汽過(guò)熱器進(jìn)行冷卻，冷卻至415℃，經(jīng)管道2進(jìn)入SO2轉(zhuǎn)化器。流程詳見(jiàn)圖1。

圖1 工藝流程圖

3.1.1 設(shè)計(jì)條件

（1）管道1和管道2內(nèi)介質(zhì)均為工藝氣（組成：CO27.3%、H2O 7.7%、O210.6%、N272.1%、SO22.2%、SO30.1%），管道材質(zhì)15CrMoR，外徑1420mm，壁厚8mm。

（2）管道1操作溫度470℃，操作壓力9kPa；管道2操作溫度415℃，操作壓力7kPa。管道1和管道2走向如圖2。

圖2 管道走向

3.1.2 波紋管膨脹節(jié)選型

管道1和管道2口徑大，溫度高，但壓力較低，若采用自然補(bǔ)償，則需要較長(zhǎng)的補(bǔ)償彎，因此選用波紋管補(bǔ)償器，可節(jié)省空間和管道材料。

焚燒爐有三個(gè)支座，靠近廢熱鍋爐處的支座為固定支座（圖3的1點(diǎn)），其余為滑動(dòng)支座。廢熱鍋爐有兩個(gè)支座，均為滑動(dòng)支座。蒸汽過(guò)熱器為支耳式，支撐在框架上，為一個(gè)固定點(diǎn)（圖3的2點(diǎn)）。SO2轉(zhuǎn)化器支撐在框架上，為一個(gè)固定點(diǎn)（圖3的3點(diǎn)）。

圖3 應(yīng)力計(jì)算

在管道1進(jìn)入蒸汽過(guò)熱器的彎頭處，增設(shè)固定支架（圖3的20點(diǎn)），將管道1分成一個(gè)L型和一個(gè)直管段。L型走向管線選用拉桿型膨脹節(jié)比較合適，因此在A點(diǎn)和C點(diǎn)選用拉桿型膨脹節(jié)。并在拉桿型膨脹節(jié)附近設(shè)導(dǎo)向支架，使膨脹節(jié)沿規(guī)定的方向位移。20-30段為直管段，可選用直管壓力平衡型膨脹節(jié)（約束型膨脹節(jié)）或單式軸向型膨脹節(jié)（非約束型膨脹節(jié)），考慮到壓力平衡型膨脹節(jié)價(jià)格較高，且彎頭處有固定支架，可承受軸向型膨脹節(jié)的盲板力，故在B點(diǎn)選用軸向型膨脹節(jié)。

3.2 工程實(shí)例二

某煉廠常減壓裝置改造項(xiàng)目利用現(xiàn)有電脫鹽罐作為沉降分離罐，為避免已開(kāi)始分離的原油和水出現(xiàn)混合，工藝上要求原油、水自原油膜反應(yīng)器進(jìn)入電脫鹽罐的直管段盡量短，且場(chǎng)地有限，因此需要選擇合適的波紋管膨脹節(jié)來(lái)吸收位移，保證設(shè)備運(yùn)行安全。

3.2.1 設(shè)計(jì)條件

（1）原油自原油膜接觸反應(yīng)器底端經(jīng)人孔進(jìn)入電脫鹽罐，如圖4所示，人孔距離原油膜反應(yīng)器中心的距離為2.4m。

圖4 示意圖（圖中尺寸單位為mm）

（2）設(shè)計(jì)參數(shù)。①介質(zhì)：原油、水；②設(shè)備和管道操作溫度150℃，操作壓力2.2MPa；③管道外徑711mm，管道壁厚16mm，材質(zhì)Q245R。

（3）根據(jù)式（1）計(jì)算膨脹量，選擇合適的波紋數(shù)來(lái)補(bǔ)償軸向與橫向的位移量。

其中△X為管系的膨脹量，mm；a為線膨脹系數(shù)，mm/（m·K），取0.0125；△T=介質(zhì)溫度-安裝時(shí)環(huán)境溫度，K；L為補(bǔ)償管線長(zhǎng)度，m，軸向補(bǔ)償管線長(zhǎng)度為膨脹節(jié)與電脫鹽罐固定端基礎(chǔ)的距離。

經(jīng)計(jì)算得，軸向位移約為33mm。

（4）對(duì)原油膜反應(yīng)器的基礎(chǔ)所產(chǎn)生的軸向推力不超過(guò)2.5t。

3.2.2 選用彎管壓力平衡型波紋管膨脹節(jié)

由于空間受限，設(shè)置固定支架和導(dǎo)向支架產(chǎn)生一定的困難，需要選擇約束型膨脹節(jié)，且要求波紋管膨脹節(jié)能同時(shí)吸收軸向位移，原油膜接觸器基礎(chǔ)不能承受太大的推力。綜合以上因素，本項(xiàng)目選擇彎管壓力平衡型波紋管膨脹節(jié)。彎管壓力平衡型波紋管膨脹節(jié)通過(guò)拉桿代替膨脹節(jié)承受內(nèi)壓拉力，從而不會(huì)再對(duì)固定支點(diǎn)或支座產(chǎn)生推力，常用于設(shè)備與設(shè)備之間的連接，以補(bǔ)償兩設(shè)備之間管路的熱膨脹，使設(shè)備不受內(nèi)壓產(chǎn)生的盲板力作用。

波紋管膨脹節(jié)介質(zhì)入口采用焊接連接，為方便后期檢維修，出口采用法蘭連接。由于單個(gè)波紋的補(bǔ)償量由廠家依據(jù)所需的補(bǔ)償量和疲勞壽命要求來(lái)確定，每個(gè)廠家不完全一樣，見(jiàn)圖5。

4 安裝和使用要求

波紋管膨脹節(jié)安裝正確與否，直接影響裝置運(yùn)行時(shí)波紋管膨脹節(jié)的正常使用功能與使用壽命。故安裝和使用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙安裝在規(guī)定的位置，不應(yīng)采用膨脹節(jié)變形（如拉伸、壓縮、橫向位移、角位移等）方法補(bǔ)償管道的安裝誤差。

2）安裝方向與管道介質(zhì)實(shí)際流向保持一致。

3）波紋管膨脹節(jié)涂黃色漆的裝運(yùn)固定件，安裝前不能拆除，待膨脹節(jié)與系統(tǒng)所有管架安裝完畢后，系統(tǒng)試壓前再拆除。但值得注意的是，拉桿型膨脹節(jié)的拉桿與裝運(yùn)固定件外觀相似，應(yīng)注意區(qū)分，拉桿型膨脹節(jié)的拉桿是受力件，不準(zhǔn)許拆除。

4）當(dāng)工作介質(zhì)為氣體而采用水進(jìn)行壓力試驗(yàn)時(shí)，充水前，應(yīng)考慮水的重量，做好臨時(shí)支撐。當(dāng)采用水進(jìn)行系統(tǒng)試壓時(shí)，水的Cl-含量不大于25mg/L。系統(tǒng)壓力試驗(yàn)過(guò)程中和試驗(yàn)完畢后，檢查膨脹節(jié)是否泄漏，波紋管是否發(fā)生失穩(wěn)，膨脹節(jié)受力結(jié)構(gòu)件、固定管架、導(dǎo)向管架是否損壞和出現(xiàn)明顯變形[1]。

5）使用期間，每年至少進(jìn)行一次定期檢查，確保膨脹節(jié)正常工作，膨脹節(jié)受力構(gòu)件無(wú)異常變形，波紋管表面無(wú)腐蝕、裂紋等。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著裝置規(guī)模的日益擴(kuò)大，大管徑高溫管道越來(lái)越多，且管道現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，選擇合適的波紋管膨脹節(jié)，并按規(guī)定要求安裝和使用膨脹節(jié)，對(duì)裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行具有關(guān)鍵性的作用。