管道设计中出现热拱现象的原因及对策

刘 丹

(北京石油化工工程有限公司西安分公司，陕西 西安 710075)

管道设计中出现热拱现象的原因及对策

刘 丹

(北京石油化工工程有限公司西安分公司，陕西 西安 710075)

热拱不仅使管道产生弯曲位移，而且能产生相当大的热应力，弯曲位移与热应力都会给管道带来极大的潜在危险。本文介绍了几种热拱的工程实例及处理方法；在工程上要尽量避免产生热拱，以保证管道的安全。

热拱；工程实例；处理方法

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.04.010

热拱现象在运送导弹推进剂、装载航天飞机燃料的低温管道系统、液化天然气(LNG)的管道系统中都存在。在管道应力分析中，通常认为的温度是介质通过管截面时的均温，但是在很多情况下，管道横截面上温度的分布是不均匀的。发生在水平管道上，且上表面的温度高于下表面的温度时，管道同一个段上下部的热膨胀是不同的，就产生了热拱现象。热拱不仅使管道产生相当大的热应力，也能产生相当大的弯曲位移，热应力与弯曲位移会给管道带来极大的潜在危险，如果不能妥善解决，会导致该部分管道上支架失效及材料的疲劳破坏，造成法兰泄漏等危险情况。

1 热拱的概念公式

如图1所示，通过公式[1]：

R=D/[αK(T1-T2)]

可算出管道上拱时的弯曲半径，进而计算出管道的弯曲横向位移Y：

Y=R-[R2-(L/2)2]1/2

图1 热拱公式图解

式中，R为管道上拱时的弯曲半径(mm)；D为管道的公称直径(mm)；K为温度修正因子；T1为管道上表面温度(℃)；T2为管道下表面温度(℃)；α为平均线膨胀系数[10-6mm/(mm·℃)]；Y为管道的弯曲横向位移(mm)。

以上公式是分析热拱的概念性公式，在实际的管道中，还要综合考虑管道约束及自重抑制等因素的影响。在管道应力分析软件中，给出了针对热拱这一状态下应力分析的温度值的需求。通常，设计人员也通过实际的测定值或者经验值对热拱的大概状态进行判断，进行相应的力、力矩及应力的核算。

2 产生热拱的实例

热拱发生在许多地方，只是有的热拱现象不明显，对整个工程没有产生很大的影响，未引起足够重视。但是许多热拱的出现会对管道本身或支撑结构等带来意想不到的危害，应尽量避免发生，如有发生，需要进行一些必要的处理，才能使管道系统处于安全状态。下面列出了一些热拱现象及对其进行的经验处理。

2.1 不均匀的热辐射引起热拱

暴露在阳光下的管道，内部流体不能充分流动，传热效果不充分使得管道的受热不均匀，在这种情况下，管道的上表面与下表面产生了温差，当这个温差达到一定程度，就产生了热拱。这种现象会导致支撑架脱空、局部支架因受力过大而受损，或者对与其连接的设备管口产生破坏，如大口径不保温的空管道或者低流速管道。在这种情况下，需在此管道上涂白色反射漆来减弱管道对热辐射的吸收能力，进而避免热拱的发生。

在制氢装置中，当应用竖琴管式的转化炉炉型时，其下集气管就会产生上拱的现象。国内多个采用竖琴管式转化炉的制氢装置中，都出现了下集气管上拱的情况，比如海南炼化制氢装置、大连西太平洋制氢装置等。由于这种炉型本身的结构特点(见图2)，炉管的温度高，在不均匀的热辐射下，下集气管道上部的温度高于下部，再加上外界环境、温度及通风效果的影响，当其上下表面达到一定温差时，就产生了热拱(见图3)。长期如此将导致管壁破裂，造成高温高压富氢气体泄漏，甚至遇明火引起爆炸，存在重大安全隐患。要抑制这种情况下的热拱，需尽量加大炉底通风散热来减小上下表面的温差，或者设置有效的支架来抑制上拱。国内某装置应用了弹簧限位架来抑制上拱，将弹簧限位架安装于转化炉底部横梁和下集气管之间，抑制上拱效果显著[2]。

图2 转化炉管结构

图3 下集气管的热拱

另外，在大口径、长距离的衬里管道中，受外界风载的影响，造成迎风面的管道外壁温度低、背风面的管道外壁温度高，也会出现热拱情况。这就要求设计人员在管道应力分析中，不但要按照常规标准要求考虑其导向支架的设置，还要考虑由热拱带来的横向位移的因素，适当设置导向支架的间距，及支架的约束要求。且这种情况下的迎风面和背风面的温度值很难确定，只能给出相对保守的经验值，如果想得到更靠近实际的模型，需对实际情况进行数据实测，然后复查模型。需要说明的是，以上的要求仅仅在假设衬里材料是均匀的前提下提出的，而在实际的情况中，往往因为施工水平、自然环境等原因，也会使分析的结果存在偏差，就要求设计人员在分析中充分考虑这些影响因素，以使分析更加安全可靠。某一项目的气化炉的模型见图4，该气化炉总长约60m，外径0.9m，内衬耐火浇注料，外壁设计温度260℃。在这个模型中，竖直管段的温差设置为38℃，此温差根据当地自然环境下的风速、最高频风向及相对保守的经验值来确定，不同地区温差值是不同的，根据模型计算的结果调整导向支架的位置及导向的间距，得出相应的支架受力及设备管口受力，使得整体模型的冷热态持续应力值满足要求，设备管口满足要求，以此计算结果为依据来确保实际工程的安全可靠。图中1、2、3、4、5、8、10处为导向支架，导向间隙均为0，每个导向架在热拱工况下均有水平推力存在，以4点为例调取的计算结果见表1。

表1 节点4在各个工况下的受力值

图4 某装置气化炉结构图

2.2 管道内部介质停滞导致热拱

比如，在液化天然气管道(LNG)系统的预冷调试过程中，当低温液氮进入到常温的管道中，在未充满管的情况下，管道的上下表面就会产生较大温差，形成热拱。设计者很早就意识到以上问题，因此，在开工过程中制定了很多有效的计划来避免热拱现象或者减小热拱的幅度，在预冷时采取了适当控制温差及加强支架等措施。预冷时要逐步降低温度，严格控制预冷速率，避免急冷、骤冷，一般预冷控制在8～10℃/h以内，管道温差小于50℃，避免阀门和法兰连接面因为冷收缩不均引起泄漏。有文献提到将LNG管道的上下温差控制在22℃以内[3]，22℃产生的热胀差可通过管道的自重克服，但实际温差往往会远超出22℃，因此，在进行管道应力分析时，可以适当考虑这22℃温差的余量对温差值进行整合确定。

2.3 石化装置中的热拱

在石化装置中，由于一些不当的操作及控制，高温的碳氢化合物很容易结焦。一般情况下，管壁温度与内部介质温度是基本一致的，但一旦结焦积累在水平管道的底部，结焦的绝热性能会使水平管道的底部温度大大降低，远远低于未结焦部分，就产生热拱现象。为了避免这种现象的发生，一定要严格执行操作控制规程。

3 结语

对工程中出现的热拱情况要高度重视，深度分析其产生的原因，采取措施进行抑制，并对抑制热拱的方式方法进行探索和研究，以有效抑制、避免或消除由热拱带来的破坏，保证管道及设备系统的安全，保障装置的安全生产。

[1]ASME Order No.802854，Peng Pipe Stress Engineering [S].

[2]王永峰.消除竖琴转化炉下集气管热变形的方法[M].北京：化肥工业出版社，2016.

[3]Venendaal，B.Dryout，Cooldown Keyed Cove Point Commissioning[J].Pipeline and Gas Journal，1979，206(7):28-38.

行业信息

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2017年7月27日，山东明化集团采用洁净煤气化技术实现企业转型升级项目启动开车程序，气化炉主燃烧喷嘴一次点火成功并产出合格产品。明化集团洁净煤气化项目于2015年初开工建设，2016年底建设完成，总投资近28亿元，目前已实现了全线顺控连锁全部投用稳定运行。

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(本刊通讯员)

Reasons and Solutions of Thermal Blowing in Pipeline Design

LIU Dan

(Beijing Petrochemical Engineering Co.，Ltd.，Xi’an Branch，Xi’an Shaanxi 710075，China)

Thermal blowing doesn’t only lead to bending displacement of pipelines，but also produces great thermal stress.Bending displacement and thermal stress are risky for pipelines.This paper introduces several real projecting cases of thermal blowing and related solutions.In real engineering projects，thermal blowing shall be avoided for the safety of pipelines.

thermal blowing；real projecting cases；solutions

刘丹(1982年—)，女，辽宁营口人，2006年毕业于河南科技大学化学工程与工艺专业，工程师，现主要从事管道应力计算工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.04.010

TQ055.81

B

1004-8901(2017)04-0036-03

2017-04-06