淺談熱力管道的柔性設(shè)計

摘 要：隨著改革開放的進(jìn)一步深化，我國各行業(yè)領(lǐng)域均得到了快速發(fā)展，特別是管道設(shè)計水平的提升，為人們乃至社會提供了極大的便利。文章介紹了管道柔性設(shè)計在熱力管道設(shè)計中的應(yīng)用，包括具體計算方法及實(shí)際工程設(shè)計中需要注意的問題。希望通過文章的敘述，可以為相關(guān)人員提供理論幫助。

關(guān)鍵詞：熱力管道；柔性設(shè)計；應(yīng)用

1 概述

熱力管道在工程中常用來輸送高溫介質(zhì)，如：鍋爐給水、汽輪機(jī)主蒸汽、汽輪機(jī)抽汽等，管道材質(zhì)多為金屬。在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常由于外部溫度變化導(dǎo)致熱脹冷縮、管道支承設(shè)置不當(dāng)?shù)纫幌盗性?，從而造成以下情況：（1）管道受較大的交變應(yīng)力影響導(dǎo)致金屬材料疲勞損壞；（2）管道軸向推力過大造成管道支架破壞；（3）管道軸向拉應(yīng)力或力矩過大，導(dǎo)致與其連接的設(shè)備變形，進(jìn)而影響設(shè)備的整體正常運(yùn)行[1-3]。

設(shè)計人員在進(jìn)行熱力管道設(shè)計時，應(yīng)使管道具有適當(dāng)?shù)娜嵝?，將由熱脹冷縮引起的熱應(yīng)力和位移控制在允許的限度內(nèi)，從而保證管道本身、管道支架和相連設(shè)備的安全。當(dāng)熱應(yīng)力和位移超出規(guī)定是限度時，就應(yīng)采取有效補(bǔ)償措施使管道柔性得到提高。

2 明確管道柔性設(shè)計的范圍

通過上述內(nèi)容，可以看出管道柔性設(shè)計是很有必要的，但其也有一定的范圍。符合下列條件之一的管道，應(yīng)列入柔性設(shè)計范圍：（1）管道設(shè)計溫度應(yīng)該≤-50℃或≥100℃；（2）管道屬于受室外環(huán)境溫度影響并且無隔熱層的長距離管道；（3）管道端點(diǎn)的附加位移量較大，通過經(jīng)驗無法判斷其柔性；（4）管道有大小支管連接現(xiàn)象，且大支管有位移并會影響判斷其柔性的管道。

當(dāng)然另一些情況下的管道可以不做柔性分析和設(shè)計，例如：（1）該管道與某一運(yùn)行情況良好的管道相同時，可以不分析其柔性；（2）該管道與已經(jīng)過柔性分析合格的管道相比較，幾乎沒有變化[6]。

3 了解管道柔性設(shè)計的計算方法

3.1 計算管道的熱伸長量

管道熱伸長量的計算公式為式（1）：

式中：？駐L-管道熱伸長量；L-計算管長；？琢-管道材料線性膨脹系數(shù)；t2-管道內(nèi)介質(zhì)溫度；t1-管道設(shè)計安裝溫度，可取20℃。

3.2 自然補(bǔ)償?shù)暮喴着袛嗪陀嬎?/p>

在管道設(shè)計中常用的自然補(bǔ)償方法有平面自然補(bǔ)償、空間立體自然補(bǔ)償，在實(shí)際應(yīng)用中，均可通過計算特定的管段長度并對比圖表來判斷該自然補(bǔ)償是否滿足管段熱伸長量的要求。

3.2.1 管道平面自然補(bǔ)償?shù)亩瘫坶L度計算方法

平面自然補(bǔ)償主要有L型彎，Z型彎，π型彎補(bǔ)償。

（1）L型彎管的自然補(bǔ)償。

L型自然補(bǔ)償管段其短臂長度的計算方法如下：首先根據(jù)公式（1）計算出長臂管道的熱伸長量；然后從表1中查出該熱伸長量對應(yīng)所需最短尺寸；最后根據(jù)最短尺寸設(shè)置導(dǎo)向支架和短臂端固定點(diǎn)。

（2） Z型直角彎自然補(bǔ)償。

Z型自然補(bǔ)償管段短臂長度的計算方法與L型的類似：首先根據(jù)公式（1）計算出兩固定點(diǎn)之間的管道熱伸長量；然后從表2中查出該熱伸長量對應(yīng)所需最短尺寸；最后根據(jù)最短尺寸確定導(dǎo)向支架的位置和Z型折角彎的偏移量。

（3）π型直角彎自然補(bǔ)償。

π型自然補(bǔ)償管段短臂長度的計算方法如下：首先根據(jù)公式（1）計算出管道兩固定點(diǎn)間的熱伸長量；然后從表3中查出該熱伸長量對應(yīng)所需的外形尺寸H和W的最短尺寸，最后可將導(dǎo)向支架設(shè)置在距彎頭40倍管徑處。

3.2.2 管道空間自然補(bǔ)償?shù)尿炈?/p>

空間立體管段與平面管段不同，其補(bǔ)償值不易直接計算出來，但可以根據(jù)公式（2）對其自然補(bǔ)償能力是否滿足要求進(jìn)行判別。

（2）

式中：DN為管道公稱通徑（mm）；？駐L為管道三個方向熱伸長量的向量和（cm）；L為管道展開總長度（m）；U為管段兩端固定的直線距離（m）。

其中？駐L可以進(jìn)行如下的計算：

4 結(jié)束語

（1）在布置管道時，應(yīng)盡量使管道走向有利于管道增加自身的柔性，避免出現(xiàn)長距離直管段，當(dāng)受條件限制時，必須選用補(bǔ)償器來增加管道的柔性。

（2）管道設(shè)置固定支架時，兩固定支架間的管段應(yīng)盡量安排成L型、Z型或空間然補(bǔ)償管段，但應(yīng)注意管段長度不要超過相應(yīng)補(bǔ)償方式和管道公稱通徑所對應(yīng)的固定支吊架最大間距。

（3）當(dāng)選用補(bǔ)償器來增加管道柔性時，量固定點(diǎn)之間的管道必須設(shè)置冷緊量，冷緊量≥管道熱伸長量的66.6%。

（4）在π型補(bǔ)償器上在條件允許時應(yīng)盡量水平布置，當(dāng)條件不允許時，應(yīng)在高處設(shè)置排氣管，在低處設(shè)置疏水管，這樣可以有效防止出現(xiàn)氣堵和水堵的現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1]《動力管道設(shè)計手冊》編寫組.動力管道設(shè)計手冊[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2006，1.

[2]中華人民共和國原化學(xué)工業(yè)部.工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范[M].中國計劃出版社，2008.

[3]化工部熱工設(shè)計技術(shù)中心.熱能工程設(shè)計手冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社，1998，4.

[4]SCIDI Specification 98101-ZA2-001[J].PIPING FLEXIBILITY.

[5]電力工業(yè)部東北電力設(shè)計院.火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S].中國電力版社，1996.

[6]黃靜.管道的柔性設(shè)計[J].小氮肥設(shè)計技術(shù)，2002.