地埋蒸汽管道廠家關(guān)于管道的熱補(bǔ)償和設(shè)計 

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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(bǔ)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(jì)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(bǔ)償?shù)脑O(shè)計和存在問題，做一專題分析。 2 熱補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償：設(shè)計柔性管件如彎頭、L型或之型彎管進(jìn)行熱補(bǔ)償，這是國內(nèi)外采用較多的方式之一；   (3)一次性補(bǔ)償：設(shè)一次性補(bǔ)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(bǔ)償器：隨介質(zhì)溫度變化，管道脹縮、補(bǔ)償器對應(yīng)縮伸、吸收應(yīng)力和位移進(jìn)行熱補(bǔ)償。   補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償和補(bǔ)償器補(bǔ)償2種方式進(jìn)行討論。

地埋蒸汽管道廠家關(guān)于管道的熱補(bǔ)償和設(shè)計 

3 熱伸長量的計算和補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償設(shè)計    (1)管道熱應(yīng)力、強(qiáng)度的設(shè)計、計算；    (2)補(bǔ)償單元的設(shè)計、選擇（包括自然補(bǔ)償件或補(bǔ)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*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(qiáng)度的影響。 4 自然補(bǔ)償    所謂自然補(bǔ)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(bǔ)償力算，因?qū)嵺`表明若套用將出現(xiàn)*的偏差，已造成多處破壞、泄漏事故發(fā)生。  

地埋蒸汽管道廠家關(guān)于管道的熱補(bǔ)償和設(shè)計 

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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(qiáng)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。

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  5 補(bǔ)償器補(bǔ)償  5.1 常用直埋補(bǔ)償器類型和特點(見表1) 表1 我國常用的直埋補(bǔ)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)?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 軸向及徑向 失穩(wěn) 不會  出現(xiàn)軸向失 穩(wěn) 能降低  固定墩 推力， 節(jié)約投資 除軸  向外， 可適度 吸收橫向位移  補(bǔ)償量大， 但需高 井加注密封 補(bǔ)償量大，  可5年以上  加注1次  內(nèi)壓推力  自身平衡     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(bǔ)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)*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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償器補(bǔ)償能力雖是∏型的5～10倍，變形應(yīng)力低，僅為波紋補(bǔ)償器的1／2～1／3，流體阻力也小，僅為波紋補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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)*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(bǔ)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(bǔ)償器的補(bǔ)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(bǔ)償器的設(shè)計和選擇原則    補(bǔ)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(jì)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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。  

地埋蒸汽管道廠家關(guān)于管道的熱補(bǔ)償和設(shè)計

  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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償器的設(shè)計，可按地溝敷設(shè)方式處理。