直管压力平衡型膨胀节在管廊设计中的应用*

刘宏伟，刘渊君

(甘肃红峰机械有限责任公司，甘肃平凉 744000)

0 引言

在实际工程项目中，管廊上吸收热胀应力的方法有很多种，主要分为自然补偿(方形补偿器和立体补偿器)和波纹管膨胀节补偿(压力平衡型膨胀节，大拉杆膨胀节，旋转补偿器节等)。在极端情况下，当管道的压力较小时，并且没有空间来设置自然补偿弯时，可以在管系中加入波纹管膨胀节来增加柔性，波纹管膨胀节可以在非常短的管段长度内提供非常大的柔性。本章将以压力平衡型膨胀节(图1)为典型介绍其在气化管廊中的应用。

图1 压力平衡型膨胀节

1 压力平衡型膨胀节的设计和工作原理

(1)膨胀节的设计依据是根据我国GB/T12777－2008《金属波纹管膨胀节通用技术条件》。膨胀节的温度范围:一般膨胀节的波纹管是用薄壁的奥氏体不锈钢材料(304，304L，316，316L)制成。当接管、内衬筒的材质为碳钢时，膨胀节的工作温度范围为－20～420℃;当波纹管、接管、内衬筒的材质均为不锈钢时，膨胀节的工作温度范围为－196～700℃。当介质含有腐蚀性液体时，内衬筒材质为镍基合金(Inconel625，Inconel600)，膨胀节的工作温度范围为－196～650℃。

(2)压力平衡型膨胀节的工作原理 直管压力平衡性膨胀节分为内压式和外压式两种，该类型膨胀节都由两组工作波和一组平衡波组成，直管压力平衡型膨胀节主要用于补偿轴向位移，膨胀节通过工作波和平衡波的相互作用来承受管道的内压推力。在外压式直管压力平衡型膨胀节(见图2)中，管道介质的压力通过膨胀节内部开孔结构主要集中的波纹的外部，此种结构相对于内压式直管压力平衡型膨胀节不易产生波柱失稳的现象，而且它的补偿范围最多可以达到500 mm，远大于内压式的100 mm，所以在工程中我们多用外压式直管压力平衡膨胀节来吸收管道较大的轴向位移。

图2 外压式直管压力平衡型膨胀节

2 在工程中的应用

某装置气化管廊最底下为DN1 400 mm的火炬排放管线，工艺排放压力为0．4 MPa，排放温度为241℃。在140 m长的火炬排放管线上，如果考虑自然补偿，有两种补偿方式:一种为方形补偿器(见图3)，另一种为立体补偿器(见图4)。如果考虑火炬管线的排放坡度，采用方形补偿器，在140 m的距离内必须设置两组伸长9 m的方形补偿器来吸收管线的二次应力，采用这种方法的话，此层管廊的中只能布置这一根排放管线，其它管线则要分层布置，或者把方形补偿器处的管廊延伸一部分到管廊框架以外。如果采用立体补偿器，则破坏了火炬管线的排放坡度，需要在两个补偿器之间增加分液罐，如果积液太多则会对管线产生积液冲击。此外，此装置管廊的宽度和地方有限，DN1 400 mm的火炬管一个弯头就2 133 mm，综合以上原因最后在气化火炬管线上采用直管压力平衡型膨胀节(见图5)的形式来解决管线坡度和二次应力矛盾的问题，有效的吸收管线的轴向位移和降低固定点的推力，并减小了排放气体的排放阻力。

图3 方形补偿器

图4 立体补偿器

图5 直管压力平衡型膨胀节

(1)直管压力平衡型膨胀节在caesarⅡ文件中的设计输入

因为直管压力平衡型膨胀节只吸收轴向位移，因此在caesarⅡ文件的设计输入中只需要定义Axial Stif(轴向刚度)即可(见图6)，它的具体取值可以参考厂商的样本并结合管廊需要的补偿量来确定。Trans Stif(横向刚度)和Torsion Stif(扭转刚度)定义为无穷大。

图6 CaesarⅡ中轴向刚度的设计

在1 400 mm的火炬排放管中设置直管压力平衡型膨胀节，它的长度一般在3 000 mm左右，重量可达到10T左右，所以它的重量也必须在设计输入中考虑进去，以免其附近支架的计算承重载荷和实际承重载荷出现偏差。输入的具体做法可以在膨胀节的两端取1 mm的单元重量块去模拟膨胀节的重量(见图7)。

图7 CaesarⅡ中模拟膨胀节重量的设计

(2)直管压力平衡型膨胀节在管廊上的安装位置和管廊支架的设计

直管压力平衡型膨胀节作为膨胀节的一种，其膨胀节的特点决定了它本身也是一个柔性元件，所以一般在安装直管压力平衡型膨胀节的管廊上，首先膨胀节两端固定管架的形式必须由半固定改为全固定形式，直管压力平衡型膨胀节必须安装在固定的附近，并且尽量靠近这个固定点，以防止膨胀节横向或者扭转的变形破坏。

其次，直管压力平衡型膨胀节它的外形结构在最外层有一层平衡波，因此它的外径很大，当多根火炬管线在管廊上并排排列时，如果要加直管压力平衡型膨胀节，一定要考虑管子之间的间距。另一方面，在管廊上，结构的固定点位置已定，所以管廊上多根管线的膨胀节往往都会集中在结构固定点附近，此时要注意，相邻两根管线上的膨胀节位置一定要错开，否则很可能在膨胀节的布置中因为径向尺寸过大而放置不下。第三，因为大的火炬管线上膨胀节本身自重都比较重，所以膨胀节附近的支架都尽可能的靠近其设定。第四，膨胀节除了一端为固定点外，另一端离膨胀节最近的两个支架的尽量设计为侧向限位和上下限位的形式，两个固定点之间的其余管架根据距离做导向处理，此种做法可能最大限度的防止直管压力平衡型膨胀节除轴向变形外的其他破坏性变形。

(3)火炬管线上膨胀节材质的选取

管廊上火炬管线作为各个装置废气的排放通道，它里面的排放气体组分非常复杂，可能含有腐蚀型介质和CL－等，所以为保险起见，火炬管线上直管压力平衡型膨胀节的外层材料我们通常选取316L，内层般银行柜台人员即可操作，通过改进辨伪方法，提高了伪钞辨出率，特别是提高了对变造币的辨伪水平，达到了预期的效果。

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