對于蒸汽管線柔性設計方案的比較

杜震昊,李汪灝,戈新銳,王文雨

(中國石油工程建設有限公司華北分公司,河北 滄州 062552)

蒸汽因為擁有高效經濟、方便可控、傳遞方便等特點,成為化工廠或者油庫中管線的優質伴熱介質,但因為蒸汽具有高溫高壓等特點,會對管線熱應力產生巨大影響,若不進行柔性設計,蒸汽管線將會因為熱應力過大遭受破壞,對于生產生活造成巨大危害。目前這類管線較為主流的安裝方式是在兩固定端之間加設補償彎或者波紋補償器。在本文中以某油庫管廊上蒸汽管線為例,介紹這兩種安裝方式的特點,并通過CAESAR II應力分析軟件以靜態分析方法比較這兩種安裝方式的優缺點。

1 蒸汽管線

1.1 設計用途

蒸汽是重要的公用工程物料,蒸汽可利用其熱能用于供暖、工藝管線的伴熱和管線吹掃等。

1.2 設計特點

蒸汽管道是熱力管道的一種,根據操作壓力不同,可分為超高壓蒸汽、高壓蒸汽、中壓蒸汽和低壓蒸汽。根據飽和度不同,可分為飽和蒸汽和過熱蒸汽。蒸汽溫度一般在100～500 ℃之間[1]。

2 蒸汽管道柔性設計方案介紹

目前蒸汽管線可采用的柔性設計方案有增加套筒式補償器、波紋補償器或者π型補償器等。

2.1 套筒式補償器

套筒補償器俗稱管式伸縮節,是熱流體管道的補償裝置,主要用于直線管道鋪設后出現的軸向熱膨脹位移吸收補償,是一種直接安裝在任何輸送無腐蝕的單向或多向流體的管道之中的補償器,主要由套筒(芯管)、外殼、密封材料等組成。用于補償管道的軸向伸縮及任意角度的軸向轉動。具有體積小補償量大的特點,通過滑動套筒對外套筒的滑移運動,達到管線熱膨脹的補償。

2.2 波紋補償器

波紋補償器,習慣上也叫膨脹節,或伸縮節。由構成其工作主體的波紋管(一種彈性元件)和端管、支架、法蘭、導管等附件組成。波紋補償器主要用在各種管道中,利用其彈性元件的有效伸縮變形來吸收管線、導管或容器由熱脹冷縮等原因而產生的尺寸變化的一種補償裝置。可吸收軸向、橫向和角向位移[2]。它能夠補償管道的熱位移,機械變形和吸收各種機械振動,起到降低管道變形應力和提高管道使用壽命的作用。波紋補償器連接方式分為法蘭連接和焊接兩種。

2.3 π型補償器

比較常用的管道補償安裝型式,通過人為改變管道中某些單元的尺寸,如增加π彎,通過π彎彎頭處位移提高管道的自補償能力。在以上三種補償方案中,套筒式補償器需要經常更換套筒內填料,維護成本較大,因此不經常采用。本文著重比較波紋補償器及π型補償器對于蒸汽管道柔性設計效果的優缺點。

3 同種設計參數條件下兩種柔性設計方案的應力參數

3.1 設計參數

使用CAESAR II軟件構建管道應力分析模型(圖1),根據某項目情況,輸入下列設計參數:

圖1 構建管線應力分析模型

執行標準:ASME B31.3;安裝溫度:21 ℃;管道系統:蒸汽管線;設計溫度:300 ℃;設計壓力:1.3 MPa;蒸汽管線:D168.3 mm×7.11 mm;管線材質:20#;蒸汽密度:4.94 kg/m3;保溫層厚度 70 mm;保溫層密度160 kg/m3;不考慮風載、雪載、地震載荷。在CAESARII模型中建立等長的兩根同口徑管線,如圖1所示,分別在各管線相同位置上設置π型補償器、波紋補償器以及固定端。通過分析計算,對比兩種補償方案的管線應力情況[3]。

3.2 π型補償器方案

選取10～160節點管線設置π型補償器,π型補償器長臂長2 m,短臂長1 m,且向下彎折800 mm,通過90°,45°彎頭連接(見圖2)。

圖2 π型補償器方案

如圖3所示,經模型計算,得出以下應力參數:

圖3 π型補償器方案模型分析

(1)管線應力百分比,如表1所示。

表1 π型補償器方案管線應力情況

經核算,管線應力百分比滿足規范ASME B31.3要求。

(2)管線固定支撐受力,如表2所示。

表2 π型補償器方案管線固定支撐受力

(3) 管線位移:管道水平方向最大位移為52.7 mm(節點138),垂直方向最大位移為6.4 mm(節點146)。

3.3 波紋補償器方案

選取510～570節點管線設置波紋補償器(膨脹節),通過Expansion Joint Modeler快速建立波紋補償器模型,波紋補償器參數如圖4所示,該管線內蒸汽壓力較低,可選用無約束型。

圖4 波紋補償器參數

此時系統會自動匹配相應的剛度系數完成波紋補償器建模。

需注意的是,對于自身不能吸收壓力推力的無約束波紋補償器,選用時應注意以下問題[4]:

(1)為防止波紋補償器由于壓力推力的作用被拉開或壓縮,必須在靠近波紋補償器的管道兩端設置固定支架,機器、容器等設備也可起固定支架的作用。當壓力較高時,作用于固定支架的推力可能很大,甚至使固定支架難以承受,無約束波紋補償器一般適用于壓力較低的情況。固定支架必須具有足夠的強度,以承受內壓推力的作用。

(2)兩固定支架之間的管道中僅能布置一個無約束波紋補償器。

(3)為防止失穩,波紋補償器附近必須設置導向支架。導向支架應安裝在波紋補償器附近,第一個導向支架與波紋補償器之間的距離應不大于4倍管道外徑,第二個導向支架與第一個導向支架之間的距離不得超過14倍管道外徑。

波紋補償器抗扭轉能力較差,應盡量避免波紋管受扭。圖5為波紋補償器應力分析模型。

圖5 系統匹配的波紋補償器剛度系數

需注意的是,此處剛度系數僅供計算時參考,具體數值需與制造廠商協商、復核確定。

如圖6所示,建立應力分析模型,經模型計算,得出以下應力參數:

圖6 波紋補償器方案模型分析

(1) 管線應力百分比,如表3所示。

表3 波紋補償器方案管線應力情況

經核算,管線應力百分比滿足規范ASME B31.3要求。

(2)管線固定支撐受力,如表4所示。

表4 波紋補償器方案管線固定支撐受力

(3)管線位移:管道水平方向最大位移為53.2 mm(節點538)。

4 兩種柔性設計優缺點比較

根據以上建模及計算結果可知,波紋補償器在蒸汽管線上所占安裝空間較π型補償器小,且管線應力情況明顯優于π型補償器,但采用波紋補償器的蒸汽管線節點最大水平位移大于采用π型補償器的蒸汽管線,且后者管線支撐所受水平推力明顯高于前者,究其原因為波紋補償器存在內壓推力(盲板反力),會對整體管廊管架施加更多推力[5],較僅采用π型補償器的蒸汽管線,前者需要更加堅固的管架對管道加以支撐。波紋補償器所受壓力推力較大,需要對波紋補償器進行耐壓試驗、氣密試驗、應力測定、剛度測定、穩定性試驗、疲勞試驗和爆破試驗等以確保使用安全。因以上種種因素,致使采用波紋補償器的蒸汽管線整體成本將高于僅采用π型補償器的蒸汽管線。

5 結論

當自然補償不能滿足管道的要求時,我們通常會使用補償器進行補償,補償器能吸收管道軸向、橫向、角向冷熱變形,并減少設備振動對管道的影響。但同時,為尋求工程項目資金投入與管線安全間的平衡點,配管設計師與應力分析設計師需要綜合考慮多種因素,辯證選取合適的管線補償方案。

蒸汽管路不建議采用套筒補償器,因為這種補償器需要經常更換填料,維護工作量巨大。也不宜采用波紋補償器,雖然波紋補償器外形比較美觀,較套筒補償器節省維護量,但是內壓推力太大,會導致工程造價增高。只有在空間比較狹窄的場所才會選用波紋補償器。大多數情況下都是選擇π型補償器,其優點是補償量大、零維護、推力小。

若需使用波紋補償器,建議應力分析工程師建立管線應力分析模型并導入工藝參數進行模擬驗算,結合驗算結果,向制造廠提出設計技術要求,并要求制造廠予以答復,然后進行復算,通過適當的調整,使各部分在負荷、應力、補償量等諸方面滿足要求。