架空敷设蒸汽管道的热补偿设计及典型问题分析

架空敷设蒸汽管道的热补偿设计及典型问题分析

摘要：由于工作温度很高，蒸汽管道产生热应力变化现象，该变化若不能得到有效补偿，将会使管道承受巨大的应力，从而导致管道严重变形，甚至破裂，因此需要考虑管道的热补偿，本文论述了架空敷设蒸汽管道热补偿设计及应注意的问题，并对某工程项目中出现的典型问题进行了分析说明。

关键词：架空敷设蒸汽管道；架空支架；波纹管补偿器；应力计算

1引言

蒸汽管道的运行温度和压力都很高，必须考虑管道的热应力变化，并采取相应的措施，否则，由此产生的作用力将通过管道系统传递到固定支架和相连的设备上，对设备以及管道的安全运行构成很大的威胁，易造成安全事故。为保证管道在热状态下运行的稳定和安全，减少管道热胀冷缩时所产生的应力，蒸汽管道的设计中，必须充分考虑管道的热补偿问题。

2热应力变化与补偿

2.1热应力变化

管道内供热介质及周围环境发生变化，将引起管道的热胀冷缩，产生热伸长和热应力变化，使管壁产生巨大的应力，若管线两端不固定，允许其自由变形，则管壁的应力变化对管的强度没有什么影响。但若管线两端都固定，不能自由伸缩，则管线因热应力变化而对固定点产生巨大的推拉力，该力可根据公式（1）计算：

（1）

式中，—为管线材料的弹性模量，m pa；

—为管线材料的应变；

—钢管的截面积；

—为管线材料的线膨胀系数，；

—为管线安装时的长度，m；

—为工作温度与安装温度之间的差值，。

在直段两端固定情况下，单位长度的 #（d219x6mm）无缝钢管，在200 的环境中工作时，其管线的热应力可计算得，远大于 #钢在200 时的许用应力123mpa，钢管壁截面积为4013 ，根据公式（1）可计算出管线对固定支架的作用力，如此大的推力是任何设备或者支架都无法承受的。

2.2管道热补偿

为了吸收管道热伸长和消除管道所产生的热应力，在设计中，必须考虑管道的热补偿，补偿分自然补偿和人工补偿2种。自然补偿是指充分利用管道自身的弹性弯曲和扭转变形，以达到热胀和冷缩的要求；人工补偿是在有热胀或冷缩的管道上人为的装设补偿元件，如方形补偿器、套筒补偿器、波纹管补偿器和球形补偿器等，补偿元件因其自身的柔性而具有补偿功能。

热补偿设计时首先应充分利用管道本身的自然弯曲进行补偿，当弯管转角小于150o时用自然补偿；大于150o时不能用自然补偿。动力管道设计中自然补偿常采用l型直角弯，z字形折角弯及空间

立体弯三类自然补偿。

空间立体管段补偿能力是否能够依靠自身的弹性变形来吸收热

应力形变，必须通过计算进行判定，可按公式（2）判别：

（2）

式中，—管道的公称直径，cm；

—管系总变形量，cm；

—管系在两固定端之间的展开长度；

—管系在两固定端之间的直线距离，m。

应用公式（2）时应保证管材管径一致且两端必须固定，中间无限位支吊点和分支管。如果满足公式（2），则说明管系具有足够的弹性，热应力形变导致的端点位移所产生的作用力在许可范围之内。

蒸汽管道补偿设计的核心是管道的应力分析计算，采用应力分析软件进行应力计算主要分3步：（1）绘制初步的管线布置图，以固定支架和设备划定需要计算的管道系统；（2）正确设置配置文件；（3）输入管系的各项计算参数，如设计压力、设计温度、管径、材质以及管件、支吊架形式和位置等，程序便进行静态和动态分析。若应力分析计算未通过，则调整管道的走向、改变补偿结构、改变支架和吊架的形式和位置，重新验算直至合格通过。

3 蒸汽管道热补偿设计中应注意的几个问题

3.1支架的设置

蒸汽管系所受载荷主要是外力载荷和位移载荷，设置管架的目的

在于消除外载作用在设备或管道上的作用力，将管道系统分割成简单稳定、可独立膨胀的管段，同时用来承受管道因热胀冷缩所产生的推力，其推力大小与管径、温度、支架位置和补偿器的形式有关，一般应考虑三个方面：

（1）管段的热伸长在补偿器的允许补偿量范围内；

（2）管道不产生纵向弯曲，特别是对同轴度要求较高的补偿器，固定支架的间距尤为重要。为保证补偿器的同轴度，补偿器应安装在固定支架旁的直管段上，活动侧设导向支架。

（3）2个固定支架之间的管段不应安装多个单式补偿器，除了两端设备外，中间支架应全为滑动管托。

为避免选用多个补偿器，设计时应首先简化管道系统，再确定管道的位移、固定支架及其受力分布情况，最后确定固定和导向支架。

3.2补偿器的应用

一般而言，高温和大直径的管道系统适合使用波纹管补偿器，其优点是吸收位移大并且使得管道系统美观和紧凑。但由于波纹管补偿器自身结构的原因，波纹管补偿器也成为管道系统中最为薄弱的环节，因此在决定使用波纹管补偿器时，应对管道系统进行详细而且严格的应力分析，从而决定安装波纹管补偿器的位置以及型式，不可以盲目的随意使用。

波纹管补偿器在应用时必须考虑内压推力和弹性反力，许多蒸汽管道的运行事故，如支架移位、弯头撕裂等，都是由于对固定支架受力估计不足导致的。内压推力是内压作用在波纹管壁上的力，它

可沿波纹管壁传至固定支架上，力的大小可根据公式（3）计算：（ 3 ）

式中，—为管道的内压推力，n；

—为管道的内压力，m pa；

—为波纹管的有效面积，mm2。

而弹性反力按公式（4）计算：

（ 4 ）

式中，—为波纹管的轴向刚度，；

—为波纹管吸收的轴向位移量，mm。

如某蒸汽管道直径为800mm，波纹管的有效面积为587700mm2，轴向刚度为1090 ，补偿量为150mm，管道内压力为1.6mpa，根据公式（3）、（4）可得内压推力f=940kn，弹性反力f’=163.5kn，这么大的推力对支架或设备元件都将构成很大威胁。

3.3不平衡力

在管道阀门、盲端或支管与主管交汇处，管道内介质的流动会对管道产生盲板力，通过管道传递至附近的固定支架上。当在两个固定支架之间设置套简或轴向波纹补偿器，补偿器一侧有阀门且阀门关闭，或固定支架设置位置靠近弯管段，内压力的作用将有使补偿器脱下的趋势。因此固定支架必需有足够的刚度，以抵抗使补偿器脱开的盲板力。

3.4管道水击

由于蒸汽管道间断运行，管道中产生凝结水不能排出来，冷凝水