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滄州盛邦管道集團(tuán)有限公司
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直埋式預(yù)制保溫管的熱補(bǔ)償和設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)況
2019-2-19 閱讀(520)
直埋式預(yù)制保溫管的熱補(bǔ)償和設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)況
直埋式預(yù)制保溫管的熱補(bǔ)償和設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)況
1 前言
直埋式預(yù)制保溫管,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(guó)內(nèi)外應(yīng)用,方興未艾。直埋管道的熱補(bǔ)償是重要的關(guān)鍵技術(shù)之一,由于設(shè)計(jì)、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(shí)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(jì)和存在問(wèn)題,做一專題分析。
2 熱補(bǔ)償方式
在國(guó)內(nèi)外直埋式預(yù)制保溫管應(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(jì)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(guó)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(jì)柔性管件如彎頭、L型或之型彎管進(jìn)行熱補(bǔ)償,這是國(guó)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(yùn)行后,焊死,此法國(guó)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(duì)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)用也為廣泛,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⑻淄彩剑幼畏?、雙密封、彈簧壓封及無(wú)推力式)以及老式∏型(方型)等。
由于波紋補(bǔ)償器設(shè)計(jì)采用多,暴露出的問(wèn)題也較充分,很需要我們研究、認(rèn)識(shí)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。
直埋式預(yù)制保溫管的熱補(bǔ)償和設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)況
3 熱伸長(zhǎng)量的計(jì)算和補(bǔ)償設(shè)計(jì)
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(shí)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(zhǎng)量的計(jì)算及補(bǔ)償設(shè)計(jì)。 3.1 熱力管道熱伸長(zhǎng)量的計(jì)算 △L=α(t1-t2)L
式中 △L-管道熱伸長(zhǎng)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(jì)算管道長(zhǎng)度(m); t1-管道安裝溫度(℃);
t1-管道設(shè)計(jì)使用(介質(zhì))溫度(℃) 3.2 補(bǔ)償設(shè)計(jì)
(1)管道熱應(yīng)力、強(qiáng)度的設(shè)計(jì)、計(jì)算;
(2)補(bǔ)償單元的設(shè)計(jì)、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(jì);
(4)引安全運(yùn)行壽命,特別是長(zhǎng)期震動(dòng)下的疲勞壽命問(wèn)題。
除(1)、(2)外,(3)、(4)2點(diǎn)對(duì)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(wèn)題,對(duì)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(zhǎng)變形。 此方式優(yōu)點(diǎn):簡(jiǎn)單、可靠;缺點(diǎn):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(jì)。
近年來(lái)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)極大的偏差,已造成多處破壞、泄漏事故發(fā)生。
4.1 設(shè)計(jì)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(wèn)題; (2)轉(zhuǎn)角大于150°,不起自然補(bǔ)償作用; (3)L型長(zhǎng)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(zhǎng)度計(jì)算 (1)L型(見(jiàn)圖1a)
l=1.1×(△LD/300)1/2 式中 l-彎管長(zhǎng)度(m);
△L-長(zhǎng)臂L的伸長(zhǎng)量(mm); D-管道外徑(mm)。 (2)Z型(見(jiàn)圖1b)
式中 l-彎管長(zhǎng)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(jì)計(jì)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°彎頭大環(huán)向應(yīng)力出現(xiàn)在彎頭頂部,大軸向應(yīng)力出現(xiàn)在彎頭頂部稍靠彎頭凸面一側(cè),與大環(huán)向應(yīng)力處相差15°~20°。由于彎頭處有焊口而綜合應(yīng)力又大,是L型自然補(bǔ)償?shù)谋∪醐h(huán)節(jié)、危險(xiǎn)的部位,因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分注意這點(diǎn)。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(shí)驗(yàn)研究表明,隨著彎頭夾角變化在20°時(shí)出現(xiàn)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(jì)時(shí)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(shí)“Z”管段受力與采用地溝敷設(shè)時(shí)受力差別較大,即管溝、“Z”形管段危險(xiǎn)點(diǎn)在長(zhǎng)管L的兩頭;而直埋管受力危險(xiǎn)點(diǎn)是在管道強(qiáng)度薄弱部位,即彎頭同直管段的兩個(gè)焊口處(也是側(cè)向位移大處)。
對(duì)于內(nèi)滑動(dòng)保溫結(jié)構(gòu),其保溫層對(duì)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大的彎矩,因此保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到這點(diǎn),并做有力的技術(shù)處理。某工程實(shí)踐,彎頭同兩直管段接頭口,其內(nèi)應(yīng)力是地溝時(shí)的幾倍,造成焊口處疲勞斷裂。 5 補(bǔ)償器補(bǔ)償
5.1 常用直埋補(bǔ)償器類型和特點(diǎn)(見(jiàn)表1) 表1 我國(guó)常用的直埋補(bǔ)償器類型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
自身平衡
隨著科技進(jìn)步,補(bǔ)償器制造和設(shè)計(jì)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)長(zhǎng)期疲勞實(shí)驗(yàn)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(guò)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(dòng)力會(huì)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(jì)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(lái)補(bǔ)償器發(fā)生較多的問(wèn)題
自我國(guó)引進(jìn)國(guó)外制造技術(shù)以來(lái),補(bǔ)償器制造技術(shù)發(fā)展很快,遍布全國(guó)。由于設(shè)計(jì)、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(diǎn)蝕及應(yīng)力、電化學(xué)腐蝕); (2)長(zhǎng)期低頻震動(dòng)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(jì)不當(dāng),造成軸向或徑向失穩(wěn)、破壞; (5)固定墩設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)要求或無(wú)限增大單個(gè)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(shí)有發(fā)生。
5.3 補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)和選擇原則
補(bǔ)償器是整個(gè)直埋管線系統(tǒng)中薄弱的環(huán)節(jié),因此設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)堅(jiān)持: (1)安全可靠,保證正常生產(chǎn)(包括設(shè)計(jì)及制造技術(shù)依托、質(zhì)保體系)。 (2)經(jīng)濟(jì)性(造價(jià)低或適中);
(3)壽命長(zhǎng)(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(duì)設(shè)在井室內(nèi),則另當(dāng)別論。 5.4 補(bǔ)償器設(shè)計(jì)選擇要點(diǎn)
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(zhǎng)或1.2倍熱伸長(zhǎng)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(jì)溫度選擇高1檔的溫度較正系數(shù);
(3)疲勞壽命按點(diǎn)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(jì)的上述3點(diǎn)基本要求外,控制金屬年腐蝕率在0.1mm,密封性*,管道設(shè)計(jì)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。 除上述幾點(diǎn)外,根據(jù)我們的工程實(shí)踐,以下經(jīng)驗(yàn)值得借鑒:(1)采用波紋補(bǔ)償器時(shí),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(zhǎng),有利于外保溫密封防水或現(xiàn)場(chǎng)接口操作;(3)雙向?qū)Я靼逶瓌t上不宜采用;(4)對(duì)套筒式雙嚴(yán)封補(bǔ)償器要設(shè)限位圈,以防止過(guò)拉伸脫殼。 對(duì)于內(nèi)滑動(dòng)多點(diǎn)滾珠式及外滑動(dòng)鋼套鋼滾輪式直埋保溫管道補(bǔ)償器的設(shè)計(jì),可按地溝敷設(shè)方式處理。