波纹管膨胀节在大口径热力管道中的应用

2016-03-14邢昀天津辰鑫石化工程有限公司天津300270

化工管理 2016年34期

关键词：单式复式铰链

邢昀(天津辰鑫石化工程有限公司，天津 300270)

波纹管膨胀节在大口径热力管道中的应用

邢昀(天津辰鑫石化工程有限公司，天津 300270)

随着项目规模大型化和环境要求的日益提高，系统温度与压力越来越高。大口径管道的应用也越来越多，笔者就波纹管膨胀节在大口径热力管道中的应用进行了探讨。

大口径热力管道；应力；波纹管膨胀节

国家对环境治理的愈加重视与要求的提高，烟气脱硫回收的项目井喷式的出现。电力行业中的湿法烟气脱硫的管道虽然口径较大，但温度压力都很低，并不需要单独的做应力分析。石油炼化行业中的有害气体多为硫化氢，采用高温环境下与水反应制硫酸的方法脱硫，经加热炉获得的高温酸性气温度高达480℃，烟气管道口径都在DN1000以上。此类管道的应力分析关乎项目的设备布置，合理规划尤为重要。

管线的热补偿方式主要为自然补偿或选用适当型式的补偿器。此次讨论的大口径薄壁管线由于设备布置紧凑，靠更改管道走向或使用填料函式补偿器都无法满足要求。选用波纹管膨胀节成为补偿管道热位移的最佳方案。

1 波纹管膨胀节的种类

波纹管膨胀节可从材质上分为金属波纹管膨胀节和非金属波纹管膨胀节。型式上可分为单式轴向型膨胀节、单式铰链型膨胀节、单式万向铰链型膨胀节、复式自由型膨胀节、复式拉杆型膨胀节、复式铰链型膨胀节、复式万向铰链型膨胀节、弯管压力平衡型膨胀节、直管压力平衡型膨胀节、旁通直管压力平衡型膨胀节、外压轴向型膨胀节。

2 波纹管膨胀节中单波吸收热位移能力是相同的

虽然理论上增加波的个数可大幅提高波纹管膨胀节的吸收能力，但波的个数增加容易产生失稳，这种方式并不可行。吸收横向位移量较大的位置应考虑选择复式自由型膨胀节，其总长度可与单式轴向型波纹管相同，只需增加两波间直管段长度即可大幅提高横向补偿量。

波纹管通变形来吸收管道的热位移，刚度必然很小，系统加压时波纹管不能承受管道的纵向应力，根据GB/T12777可知波纹管产生压力推力的大小。由单式轴向型与复式自由型膨胀节的结构可知，轴向止推架上的水平推力为管道摩擦力，膨胀节压力推力与膨胀节弹性力的和。由于拉杆型膨胀节压力推力会由拉杆吸收，铰链型膨胀节压力推力会由铰链吸收，故作用在轴向止推架上的水平推力只为管道摩擦力与膨胀节弹性力的和。经笔者计算DN1200波纹管的释放的压力推力为23KN，吸收100mm轴向热位移产生的弹性力为33KN，这种附加力无疑是巨大的。故在使用波纹管膨胀节时一定要注意水平推力对结构专业的影响，保证膨胀节在使用中的可行性。

3 膨胀节的设置

(1)在膨胀节设置上笔者从工艺流程入手，高温烟气管道经废热锅炉到冷却器的温度保持在450℃左右；冷却器到烟筒之间的管道从280℃递减到100℃，且烟气中腐蚀性组分已经极低。综合考虑安全与经济要素，冷却器前烟气管线选用金属膨胀节，冷却器后的烟气管线选用非金属膨胀节。

(2)在型式的选择上，笔者原则上选用单式轴向型膨胀节。此膨胀节轴向吸收能力很强横向吸收能力较弱，在直管道上设置最为合适。单式轴向型膨胀节在L型管路中设置会吸收一定量的横向位移，由此产生的横向弹性力较大，应注意设备口受力是否超标且压力推力会使距离最近的弯头一次应力增加，必要时可增设弯管支托吸收压力推力保证装置运行安全。Z型管路中可在管路中间位置设置止推支架将管路分割为两个L型管路进行考虑。

(3)举例说明下面，结合实际，对项目中一处有代表性的空间Z型管道的补偿方式进行说明。管线为DN1500的烟气管，温度高达460℃，直线展开长度11．6米。第一种方案为顺介质流向使用弯管压力平衡型膨胀节，经过笔者模拟计算其结果能够较好的吸收管道在各个方向上产生的位移，且管口受力符合设备要求。但此类型的膨胀节运行过程中会在盲端沉积粉尘，遭到工艺专业的否定。第二种方案是选用三个单式万向铰链型膨胀节配合使用，此方案经模拟可以吸收管道热位移，但由于三个补偿器重量较大，重量全部加载到管口上，导致设备管口校核无法通过。由于设备管口向上热胀量在150mm左右，附近无可用构架可以在高度和载荷上满足恒力弹簧支撑要求，这种方案也被否定。已没有标准型式的膨胀节可以满足要求，故与膨胀节厂家协调设计非标波纹管膨胀节来解决问题。第三种方案见图。

第三种方案精妙的把将弯头与X向管道包含在膨胀节中，管道X向位移都由膨胀节内部吸收。由于将弯头包含在膨胀节中，故膨胀节在完全吸收R-104向上热位移和入口管道轴向热位移的同时能够满足R-104设备管口受力要求。由于R-103固定端支耳在设备左侧与膨胀节入口端焊缝在X方向距离相近，可认为设备与弯头同时向X方向热胀。故膨胀节只需吸收R-103向上的热位移就能够满足R-103管口受力要求。膨胀节的拉杆可以吸收膨胀节的压力推力；并且两波纹管距离较大，横向刚度很小，使用中并不会产生较大的横向弹性力；由膨胀节附加结构重量不高，并不需要做结构支架，此方案满足要求。