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更新時間:2014-09-05 瀏覽次數(shù):1124
1 前言
直埋式預(yù)制保溫管道,特別是各式各樣的保溫結(jié)構(gòu)型式的城鎮(zhèn)集中供熱或“熱、電、冷”三聯(lián)供的蒸汽管道正在國內(nèi)外應(yīng)用,方興未艾。直埋管道的熱補償是zui重要的關(guān)鍵技術(shù)之一,由于設(shè)計、制作、施工或生產(chǎn)操作上的多種原因,曾發(fā)生多起嚴(yán)重事故,造成不應(yīng)有的人身傷亡和嚴(yán)重經(jīng)濟損失。根據(jù)多年研究、工程實踐和文獻(xiàn)資料,就直埋式預(yù)制高溫保溫管道的熱補償?shù)脑O(shè)計和存在問題,做一專題分析。
2 熱補償方式
在國內(nèi)外直埋式預(yù)制高溫保溫管道應(yīng)用中,為克服因溫差(使用溫度和安裝溫度之差)造成的熱力管道脹縮和位移變化,設(shè)計上多采用以下4種方式進(jìn)行補償。
(1)管道(管件)的預(yù)熱(預(yù)拉伸):國外一些大公司通常在直徑小于500 mm的管道中采用,但不廣泛;
(2)自然補償:設(shè)計柔性管件如彎頭、L型或之型彎管進(jìn)行熱補償,這是國內(nèi)外采用較多的方式之一;
(3)一次性補償:設(shè)一次性補償器,在安裝試運行后,焊死,此法國內(nèi)外都有采用;
(4)設(shè)補償器:隨介質(zhì)溫度變化,管道脹縮、補償器對應(yīng)縮伸、吸收應(yīng)力和位移進(jìn)行熱補償。
補償器近年發(fā)展極快,在直埋式管道中應(yīng)用也,型式有波紋式(內(nèi)壓、外壓、單雙向、變推力的平衡式、半平衡式及鉸鏈?zhǔn)剑?、套筒式(加注單封、雙密封、彈簧壓封及無推力式)以及老式∏型(方型)等。
由于波紋補償器設(shè)計采用zui多,暴露出的問題也較充分,很需要我們研究、認(rèn)識和改進(jìn)。
本文僅就自然補償和補償器補償2種方式進(jìn)行討論。
3 熱伸長量的計算和補償設(shè)計
為使直埋熱力管道在熱狀態(tài)下穩(wěn)定和安全操作,減小管道熱脹冷縮時產(chǎn)生的應(yīng)力,防止管道*破壞和位移變化破壞保溫結(jié)構(gòu),增大熱損失,必須進(jìn)行熱力管道熱伸長量的計算及補償設(shè)計。
3.1 熱力管道熱伸長量的計算
△L=α(t1-t2)L
式中 △L-管道熱伸長量(m);
α-管道在相應(yīng)溫度范圍內(nèi)的線脹系數(shù)[m/(m.℃)];
L-計算管道長度(m);
t1-管道安裝溫度(℃);
t1-管道設(shè)計使用(介質(zhì))溫度(℃)
3.2 補償設(shè)計
(1)管道熱應(yīng)力、強度的設(shè)計、計算;
(2)補償單元的設(shè)計、選擇(包括自然補償件或補償器);
(3)保溫結(jié)構(gòu)的綜合分析和設(shè)計;
(4)引安全運行壽命,特別是長期震動下的疲勞壽命問題。
除(1)、(2)外,(3)、(4)2點對高溫蒸氣預(yù)制直埋管道尤為重要,不單要考慮熱損失、能耗問題,對于剛性的內(nèi)外管結(jié)構(gòu),還要考慮應(yīng)力和強度的影響。
4 自然補償
所謂自然補償,就是管道中發(fā)柔性彎曲管段0口彎頭,L型、Z型彎管)吸收管道熱伸長變形。
此方式優(yōu)點:簡單、可靠;缺點:產(chǎn)生橫向位移,不單是在彎頭處,在直線段也發(fā)生相應(yīng)位移,其保溫結(jié)構(gòu)應(yīng)做充分考慮、設(shè)計。
近年來的深入研究表明,直埋管道由于保溫結(jié)構(gòu)型不同,已不能*套用架空或地溝敷設(shè)管道自然補償力算,因?qū)嵺`表明若套用將出現(xiàn)極大的偏差,已造成多處破壞、泄漏事故發(fā)生。
4.1 設(shè)計原則
(1)轉(zhuǎn)角不小于70°,否則將出現(xiàn)應(yīng)力急劇上升,易發(fā)生問題;
(2)轉(zhuǎn)角大于150°,不起自然補償作用;
(3)L型長臂不宜大于20~25 m。
(4)彎曲許用應(yīng)力σ(Q235材質(zhì))不大于78.5 MPa。
4.2 彎管長度計算
(1)L型(見圖1a)
l=1.1×(△LD/300)1/2
式中 l-彎管長度(m);
△L-長臂L的伸長量(mm);
D-管道外徑(mm)。
(2)Z型(見圖1b)
式中 l-彎管長度(m);}
E-管道材料彈性模量(MPa);
D-管道外徑(mm);
〔σbw〕-管道彎曲許用應(yīng)力(MPa);
k-L1/L2;
△t-設(shè)計計算的管道介質(zhì)溫度與安裝溫度差(℃)。
圖1 L型與Z型彎管示意
研究表明,90°彎頭zui大環(huán)向應(yīng)力出現(xiàn)在彎頭頂部,zui大軸向應(yīng)力出現(xiàn)在彎頭頂部稍靠彎頭凸面一側(cè),與zui大環(huán)向應(yīng)力處相差15°~20°。由于彎頭處有焊口而綜合應(yīng)力又zui大,是L型自然補償?shù)膠ui薄弱環(huán)節(jié)、zui危險的部位,因此設(shè)計時應(yīng)充分注意這點。采用整管熱(冷)煨,減少焊口,并適當(dāng)增加管壁厚度及應(yīng)力消除處理,是一條有效途徑。
實驗研究表明,隨著彎頭夾角變化在20°時出現(xiàn)zui大應(yīng)力峰值,隨角度增加應(yīng)力值迅速減小,這也正是設(shè)計時盡量避免出現(xiàn)小于70°的夾角彎頭所在。
Z型自然補償研究表明,直埋時“Z”管段受力與采用地溝敷設(shè)時受力差別較大,即管溝、“Z”形管段zui危險點在長管L的兩頭;而直埋管受力zui危險點是在管道強度zui薄弱部位,即彎頭同直管段的兩個焊口處(也是側(cè)向位移zui大處)。
對于內(nèi)滑動保溫結(jié)構(gòu),其保溫層對管道的摩擦,不僅與管道的軸向位移有關(guān),還與其內(nèi)管道的橫向位移相關(guān),在彎頭的中部存在著zui大的彎矩,因此保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)充分認(rèn)識到這點,并做有力的技術(shù)處理。某工程實踐,彎頭同兩直管段接頭口,其內(nèi)應(yīng)力是地溝時的幾倍,造成焊口處疲勞斷裂。
5 補償器補償
5.1 常用直埋補償器類型和特點(見表1)
表1 我國常用的直埋補償器類型及結(jié)構(gòu)特點
型式 | 波紋式 | 套筒式 | |||||
內(nèi)壓 | 外壓 | 變推力 | 鉸鏈?zhǔn)?/p> | 單密封 | 雙密封 | 無推力 | |
結(jié)構(gòu)及特點 | 簡單 | 復(fù)雜 | 復(fù)雜 | 復(fù)雜 | 簡單 | 簡單 | 復(fù)雜 |
可能會發(fā)生 | 不會 | 能降低 | 除軸 | 補償量大, | 補償量大, | 內(nèi)壓推力 | |
造價 | 中 | 高 | 高 | 高 | 低 | 較低 | 高 |
安全性 | 一般 | 好 | 好 | 一般 | 一般 | 好 | 好 |
隨著科技進(jìn)步,補償器制造和設(shè)計水平不斷提高:為消除內(nèi)應(yīng)力或殘余應(yīng)力,有的單位進(jìn)行了高溫固熔處理;為解決土壤中氯離子腐蝕,采用粉未熱噴涂技術(shù),在金屬波紋管表明噴涂SEBF環(huán)氧粉未,經(jīng)長期疲勞實驗和工程應(yīng)用表明,效果良好;為解決大管徑、高壓力熱力管道盲板力過大,.減小固定墩推力而發(fā)明的變推力波紋補償器(平衡式、半平衡式)曾在第三屆動力會議上宣講,并已在工程中試用。也獲得良好效果;以及補償器外殼端頭密封防水設(shè)計技術(shù):套筒式雙端面嚴(yán)封補償器在直埋使用中5~8年加注一次等,都有明顯的進(jìn)展。球型補償器補償能力雖是∏型的5~10倍,變形應(yīng)力低,僅為波紋補償器的1/2~1/3,流體阻力也小,僅為波紋補償器的60%~70%,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,密封難,直埋管道中不宜采用。
5.2 近年來補償器發(fā)生較多的問題
自我國引進(jìn)國外制造技術(shù)以來,補償器制造技術(shù)發(fā)展很快,遍布全國。由于設(shè)計、制造和使用操作上諸多原因,發(fā)生多種類型補償器損壞事故,如:
(1)水質(zhì)處理不好,嚴(yán)重的氯離子腐蝕不銹鋼(點蝕及應(yīng)力、電化學(xué)腐蝕);
(2)長期低頻震動下,0.5 mm導(dǎo)流板斷裂、吹掉;
(3)疏水不好,造成嚴(yán)重的汽水沖擊,打(震)破波紋;
(4)安裝偏轉(zhuǎn)或設(shè)計不當(dāng),造成軸向或徑向失穩(wěn)、破壞;
(5)固定墩設(shè)計過小發(fā)生滑移,造成波紋補償器扭曲變形破壞;
(6)因粗制濫造,質(zhì)量不合設(shè)計要求或無限增大單個補償器的補償量等結(jié)構(gòu)和質(zhì)量方面的原因造成的事故更是時有發(fā)生。
5.3 補償器的設(shè)計和選擇原則
補償器是整個直埋管線系統(tǒng)中zui薄弱的環(huán)節(jié),因此設(shè)計選型時應(yīng)堅持:
(1)安全可靠,保證正常生產(chǎn)(包括設(shè)計及制造技術(shù)依托、質(zhì)保體系)。
(2)經(jīng)濟性(造價低或適中);
(3)壽命長(正常操作,在15年以上);
(4)結(jié)構(gòu)合理,密封防水、保溫好,直埋使用。對設(shè)在井室內(nèi),則另當(dāng)別論。
5.4 補償器設(shè)計選擇要點
在“城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程”中規(guī)定,補償能力大于1.1倍熱伸長或1.2倍熱伸長的基礎(chǔ)上,建議高溫蒸氣熱力管道補償器選擇原則:
(1)公稱壓力選擇高1檔的產(chǎn)品;
(2)設(shè)計溫度選擇高1檔的溫度較正系數(shù);
(3)疲勞壽命按點的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)7000次選擇,即通常工作壓力/公稱壓力為75%,工作位移/額定位移為70%,留有充分裕量。
在滿足熱力管道主線管道設(shè)計的上述3點基本要求外,控制金屬年腐蝕率在0.1mm,密封性*,管道設(shè)計壓力不低于4MPa,B、C類管道不低于2MPa,一般均可保障直埋管線壽命在15年以上。
除上述幾點外,根據(jù)我們的工程實踐,以下經(jīng)驗值得借鑒:(1)采用波紋補償器時,其內(nèi)導(dǎo)流筒改用3~5mm Q235鋼板制作為宜,以提高抗震性能;(2)補償器兩端接口適當(dāng)加長,有利于外保溫密封防水或現(xiàn)場接口操作;(3)雙向?qū)Я靼逶瓌t上不宜采用;(4)對套筒式雙嚴(yán)封補償器要設(shè)限位圈,以防止過拉伸脫殼。
對于內(nèi)滑動多點滾珠式及外滑動鋼套鋼滾輪式直埋保溫管道補償器的設(shè)計,可按地溝敷設(shè)方式處理。
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