化工管道设计中的自然补偿法

朱文慧

（武汉金中石化工程有限公司，湖北武汉 430223）

在工业化建设进程不断加快的新产业时代背景下，管道作为能量供应及燃料资源的重要运输载体，热胀冷缩是管道受外界温度变化而引起的不可避免现象，长此以往管道设计尺寸会发生一定变化，倘若企业单位未能在第一时间进行及时、有效的补偿，当管道应力超过管道自身许用应力范围时，管道就会被破坏，从而增加企业运行和维护成本的同时，给人们的生命财产埋下巨大安全隐患，就目前来看，“自然补偿”是一种最经济、最有效且最可靠的补偿方式，将其应用于管道设计中是推动企业可持续发展的重要基础和根本前提。

1 化工管道设计中“自然补偿”方式作业对象

在当前化工管道设计作业过程中，补偿方式有两种∶人工补偿和自然补偿，其中无论是实用性、高效性和经济性，自然补偿都具有显著应用优势，是现阶段化工管道设计处理中常用的一种补偿方式。就目前来看，不同公称管径长度的管道，进行“自然补偿”时的外界温度临界点也不尽相同，对于管径在100mm 以上的化工管道，倘若运输温度高于230℃或者低于20℃时，此时就需要化工企业工作人员进行自然补偿处理，而对于管径在150mm 以上的化工管道，当运输温度超过120℃时就要进行自然补偿处理，与此同时在对管径150mm 以上化工管道进行自然补偿时，由于和空冷器相连接的管道材料很容易在后续长期应用过程中出现热胀冷缩问题，工作人员必须确保处理强度的合理性、科学性和有效性。除此之外，在化工管道铺设过程中，倘若与压力容器相连接的管道亦或是相应管廊公称直径在150mm 以上的管道需要进行自然补偿处理时，若处理不当或处理工作没有落实到实处，从某方面而言不仅极易引发各种安全问题，甚至给企业可持续发展目标的实现造成极为不利的影响，最终严重破坏了社会的稳定性、和谐性和安稳性。

2 化工管道设计中“自然补偿”方式的基本概述

“自然补偿”其实就是利用管道本身自然弯曲弹性，对管道热变形或其他部位位移进行补偿的一种方式，而常见的自然补偿有三种方式，即L 形直角弯、Z 形折角弯和π 形弯。

2.1 L形直角弯自然补偿概述

在对化工管道进行补偿处理过程中，L 形直角弯自然补偿是最常见，也是最简单的一种补偿方式，其主要就是利用一个弯头组成的转弯，来对位移区域进行补偿的一种形式，在确保管道体系达到理想保护效果的基础上，最大程度地规避后期各类热胀冷缩的再次出现，进而为最终理想效果的取得奠定良好基础。

在L 形直角弯自然补偿作业过程中，对L 形自然补偿短臂长度进行计算是极为必要的，其计算公式为：L=1.1（ΔL（长臂L有效热伸长量）Dw（管道外径）/300）1/2。在进行计算的过程中，为确保计算的科学性、合理性和准确度，基层产业机构和相关主管部门的工作人员需综合考虑整个L 形直角弯的长臂可能出现的热伸长量，如针对L 形管段受热变形由导向支架开始、由二臂导向支架开始以及由固定架开始，以此为预期处理目标的获得奠定良好基础。示意图见图1。

图1 L形直角弯自然补偿设计示意图

2.2 Z形折角弯自然补偿概述

Z 形折角弯主要是利用二个弯头组成的转弯，来对位移区域进行补偿，其补偿方式和补偿效果也极为突出。与L 形直角弯自然补偿相比，Z 形折角弯自然补偿与企业有着一定的相似之处，即它也需要各项数据进行计算，不同的是它的处理涉及两个弯头，计算难度相对较高。

在Z 形折角弯自然补偿作业过程中，对Z 形折角弯补偿短臂长度进行计算是极为必要的，其计算公式为：l={6ΔLEDw/107[σbw]（1+1.2n）}1/2，其中E为管道材料弹性模量（MPa），[σbw]为弯曲应力（MPa）。在进行计算的过程中，为确保计算的科学性、合理性和准确度，基层产业机构和相关主管部门的工作人员需综合考虑整个Z 形折角弯的长臂可能出现的热伸长量，如针对Z 形管段受热变形由导向支架开始、由二臂导向支架开始以及由固定架开始，与L 形不同的是，Z 型仅有二个方向位移和推力，靠两水平臂的变形补偿吸收垂直臂变形产生的应力，水平臂越长其补偿能力越大。除此之外，Z 型自然补偿也可以设计成立体的，立体Z 型可以同时利用管段的径向和扭转变形吸收其相邻管段的热伸长，因而其补偿性能较平面Z 型要好。示意图见图2。

图2 Z形折角弯自然补偿设计示意图

2.3 π形弯自然补偿概述

π 形弯主要是利用四个或六个弯头组成的转弯，来对位移区域进行补偿，主要针对的是一些需要补偿强度较大的化工管道区域。与L 形直角弯自然补偿和Z 形折角弯自然补偿相比，π 形弯既可水平布置，也可立体布置，当有两个或两个以上的π 形进行补偿时，为确保补偿的科学性、合理性和有效性，需尽量采取统一和集中设置处理方式。除此之外，在进行补偿时，管径较大、温度较高需要较大补偿量的管道设置在外侧，管径较小，温度相对较低的管道设置在内侧。

就目前来看，随着城市化、工业化建设进程的不断加快，企业规模持续增加的同时，π 形自然补偿的应用率也不断提高，在进行补偿位置选择时，基层产业机构和相关主管部门的工作人员需从根本上提高对π 型自然补偿方式应用的重视度，在全面综合考虑管道布置空间和现场位置的基础上，还要将其设在两固定支架之间，且在两固定架中间位置为最佳，若不能满足此条件，它与固定点的间距应尽可能的小。

图3 π形弯4个弯头自然补偿设计示意图

图4 π形弯6个弯头自然补偿设计示意图

3 现阶段在化工管道设计中自然补偿优化策略

3.1 不断地提高管道自身弹性度

自然补偿其实主要就是利用管道自身弹性度进行位移补偿的一种方式，要想从根本上提高自然补偿能力和作业效率，提高管道自身弹性度是极为必要性，换言之就是确保管道具有一定弹性，是推动产业进一步发展的重要战略性策略。据调查，对管道弹性大小的影响因素主要有管道的形状、长度、尺寸以及弹性模量，因此在进行化工管道设计和施工作业过程中，基层产业机构和相关主管部门需提高对管道采购作业的重视度，通过采购合理化管道来进行施工，减少后期维护成本的同时，避免返工问题的出现，最终为企业可持续发展奠定良好基础。

3.2 利用管支架改善管道自然补偿能力

就目前来看，在进行自然补偿能力改善过程中，利用管支架对其补偿能力进行改善，也是现阶段基层产业机构和相关主管部门进行补偿能力提升的重要战略性举措。从某方面而言，在实际作业过程中，一方面基层产业机构工作人员需充分利用固定支架或者是弹性支架，在将移量控制在合理范围内的基础上，通过分散与吸收管道局部产生的热应力，达到提高自然补偿能力的效果；另一方面相关人员还可在设置化工管道固定点期间，把该点设置在承受冲击力最大的位置，从而减少位移发生频率，降低工程返工作业成本。

4 结束语

化工企业作为推动国民经济发展的重要基础产业，其建设规模和数量持续增加的同时，管道铺设量也持续增加。作为燃料运输载体，管道设计的科学性、合理性和有效性，对于企业发展而言有着重要影响，但由于受外界温度变化的影响，管道自身会产生一定的位移，若未能及时对其进行处理更极有可能危及人们生命财产安全，为此要想从根本上规避上述问题的出现，充分发挥化工产业的积极作用，在化工管道设计过程中综合考虑管道热胀冷缩问题也是十分必要的，为此相关部门需不断地创新与完善化工管道设计中的自然补偿法，我国工业经济的可持续发展奠定良好基础。