球形補(bǔ)償器在蒸汽管道改造中的應(yīng)用

王慈林

（蘭州寰球工程公司，甘肅 蘭州 730060）

球形補(bǔ)償器在蒸汽管道改造中的應(yīng)用

王慈林

（蘭州寰球工程公司，甘肅 蘭州 730060）

介紹了球形補(bǔ)償器的工作原理、特點(diǎn)，以及在蒸汽管道改造中的應(yīng)用情況，利用了球形補(bǔ)償器的優(yōu)點(diǎn)很好地完成了蒸汽管道的改造任務(wù)。

球形補(bǔ)償器；蒸汽管道；應(yīng)用

1　概述

蘭州石化公司連續(xù)重整裝置在用的兩根蒸汽管道外管廊部分敷設(shè)于2006年，在高管架上相鄰敷設(shè)，熱補(bǔ)償采用的是鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器，由于之前的設(shè)計(jì)不合理以及其他一些因素，造成管道有的部分嚴(yán)重變形，管托脫空之處較多，使管架的受力不均，部分管架橫梁被蒸汽管道拉彎，管道的保溫也有破壞。波紋管補(bǔ)償器由于變形量太大，曾經(jīng)有泄漏事故發(fā)生，造成極大的安全隱患。因此，對(duì)這兩根蒸汽管道進(jìn)行改造很有必要。由于是對(duì)現(xiàn)有管道進(jìn)行改造，現(xiàn)場的安裝空間是一定的，如果采用π型補(bǔ)償，安裝空間不夠，另外π型補(bǔ)償器對(duì)管架固定點(diǎn)的推力經(jīng)過計(jì)算也很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了現(xiàn)有固定點(diǎn)能承受的推力。如果換新的鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器問題也同樣存在，且波紋管補(bǔ)償器不能承受較高的壓力，容易損壞。而球形補(bǔ)償器具有補(bǔ)償量大、節(jié)省安裝空間、熱損失小、對(duì)固定點(diǎn)的推力小等特點(diǎn)，近年來在工程中應(yīng)用的也較多。因此，本次改造擬采用球形補(bǔ)償器進(jìn)行熱補(bǔ)償。

2　球形補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)

2.1球形補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)

球形補(bǔ)償器主要由殼體、球體、密封圈、壓緊法蘭四部分組成（如圖1所示），球形補(bǔ)償器的球體可以任意旋轉(zhuǎn)，很容易應(yīng)付管道的任意扭轉(zhuǎn)，通過角度變形來適應(yīng)與它相連的管道熱膨脹產(chǎn)生的膨脹量，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。球形補(bǔ)償器與管道的連接形式有焊接和法蘭連接，一般國內(nèi)采用法蘭連接，國外采用焊接方式。

圖1　球形補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2球形補(bǔ)償器的工作原理

根據(jù)球形補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，必須兩個(gè)或三個(gè)成組使用，它是以球體和殼體的中心線為軸，在圓錐范圍內(nèi)球體可做任意轉(zhuǎn)動(dòng)θ角，θ稱為折屈角。一般來說，國內(nèi)生產(chǎn)的球補(bǔ)的θ角的范圍是：15°～30°。球補(bǔ)的工作原理如圖2所示。

圖2　球形補(bǔ)償器工作原理圖

圖中進(jìn)行了冷態(tài)配置，即在安裝時(shí)預(yù)先向熱位移相反的方向偏轉(zhuǎn)了θ/2角，球心距L可以很容易地用三角學(xué)的正弦函數(shù)求出。

對(duì)于補(bǔ)償器來說，對(duì)固定架的推力是一個(gè)很重要的指標(biāo)。而球形補(bǔ)償器的變形為非剛性變形，因此管系變形后不會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的應(yīng)力，從而使管道對(duì)固定架的推力也不是持續(xù)的。彎曲角運(yùn)動(dòng)所需的作用力很小，因此球形補(bǔ)償器對(duì)固定架的反作用力也很小，數(shù)值上也比同樣工況下的π型補(bǔ)償器的推力小的多。球形補(bǔ)償器的推力只與它的扭矩“T”有關(guān)，如圖3所示。

圖3　球形補(bǔ)償器支架受力示意圖

根據(jù)力學(xué)分析：

式中：F——支架推力，M

T——球補(bǔ)扭矩，N.M

L——球心距，M

2.3球形補(bǔ)償器的特點(diǎn)

球形補(bǔ)償器具有補(bǔ)償能力大，占地空間小，流體阻力小，變形應(yīng)力小，不受方位限制，安裝方便，使命壽命長等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于三向位移的蒸汽和熱水管道最適宜。工作介質(zhì)可以由任意一端出入，沒有方向限制。但缺點(diǎn)是存在側(cè)向位移、易漏水、漏汽，要求加強(qiáng)維修。目前ATS公司生產(chǎn)的球補(bǔ)帶有柱塞填料缸，可以帶壓填充密封填料。另外若兩個(gè)固定點(diǎn)間的距離較大，管道的位移量也較大，要根據(jù)位移量選擇加長型的特制管托，防止管托從管架梁上滑落。

3　球形補(bǔ)償器在蒸汽管道中的安裝及應(yīng)用

2013年，采用了ATS公司生產(chǎn)的PAK型整體式“P2”系列球形補(bǔ)償器，對(duì)蘭州石化公司的兩根蒸汽外管進(jìn)行了改造。蒸汽管道的具體參數(shù)見表1。

表1　蒸汽管道參數(shù)表

經(jīng)過Caepipe應(yīng)力軟件計(jì)算分析后，選擇的球形補(bǔ)償器的型號(hào)分別為16"P2-SPC-400H-70-20-B，12"P2-SPC-400H-70-20-B，θ=15°。16"的扭矩約為2200kg.m，對(duì)固定架的推力約為1t，12"的扭矩約為8600kg.m，對(duì)固定架的推力約為1.1t，可見應(yīng)用球形補(bǔ)償器對(duì)固定架的推力很小。這兩根蒸汽管道由于相鄰布置，走向一致，共安裝了16只，共4組球形補(bǔ)償器。在靠近球形補(bǔ)償器的直管段上的管托根據(jù)位移量的大小選用了加長型的管托，經(jīng)過兩年的運(yùn)行，這16只補(bǔ)償器無一發(fā)生泄漏，很好地解決了管道的熱脹問題。管道敷設(shè)示意圖如圖4所示。

圖4　管道敷設(shè)示意圖

5　結(jié)束語

由于本項(xiàng)目是在原有老管架的基礎(chǔ)之上改造，因此原有管架不能承受太大的推力，這是本項(xiàng)目的難點(diǎn)。由于ATS公司球補(bǔ)重量輕扭矩小，所以對(duì)管道固定支架的推力小。因此通過應(yīng)用球形補(bǔ)償器很好的解決了改造中存在的問題。由于該項(xiàng)目中球形補(bǔ)償器為進(jìn)口產(chǎn)品，雖然投資比π型補(bǔ)償器高，但能解決蒸汽管道敷設(shè)的難點(diǎn)，因此值得在一些適宜的情況下使用，彌補(bǔ)了其它補(bǔ)償器的不足。

［1］孫國成.球形補(bǔ)償器在稠油熱采注蒸汽管道上的應(yīng)用［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，1995（6）：19-21.

［2］ 張俊紅，韓飛.球形補(bǔ)償器在過熱蒸汽管道上的應(yīng)用分析［J］.煤氣與熱力.1998，18，（1）：61-64.

TQ056