管道設(shè)計中出現(xiàn)熱拱現(xiàn)象的原因及對策

劉 丹

(北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075)

管道設(shè)計中出現(xiàn)熱拱現(xiàn)象的原因及對策

劉 丹

(北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075)

熱拱不僅使管道產(chǎn)生彎曲位移，而且能產(chǎn)生相當(dāng)大的熱應(yīng)力，彎曲位移與熱應(yīng)力都會給管道帶來極大的潛在危險。本文介紹了幾種熱拱的工程實(shí)例及處理方法；在工程上要盡量避免產(chǎn)生熱拱，以保證管道的安全。

熱拱；工程實(shí)例；處理方法

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.04.010

熱拱現(xiàn)象在運(yùn)送導(dǎo)彈推進(jìn)劑、裝載航天飛機(jī)燃料的低溫管道系統(tǒng)、液化天然氣(LNG)的管道系統(tǒng)中都存在。在管道應(yīng)力分析中，通常認(rèn)為的溫度是介質(zhì)通過管截面時的均溫，但是在很多情況下，管道橫截面上溫度的分布是不均勻的。發(fā)生在水平管道上，且上表面的溫度高于下表面的溫度時，管道同一個段上下部的熱膨脹是不同的，就產(chǎn)生了熱拱現(xiàn)象。熱拱不僅使管道產(chǎn)生相當(dāng)大的熱應(yīng)力，也能產(chǎn)生相當(dāng)大的彎曲位移，熱應(yīng)力與彎曲位移會給管道帶來極大的潛在危險，如果不能妥善解決，會導(dǎo)致該部分管道上支架失效及材料的疲勞破壞，造成法蘭泄漏等危險情況。

1 熱拱的概念公式

如圖1所示，通過公式[1]：

R=D/[αK(T1-T2)]

可算出管道上拱時的彎曲半徑，進(jìn)而計算出管道的彎曲橫向位移Y：

Y=R-[R2-(L/2)2]1/2

圖1 熱拱公式圖解

式中，R為管道上拱時的彎曲半徑(mm)；D為管道的公稱直徑(mm)；K為溫度修正因子；T1為管道上表面溫度(℃)；T2為管道下表面溫度(℃)；α為平均線膨脹系數(shù)[10-6mm/(mm·℃)]；Y為管道的彎曲橫向位移(mm)。

以上公式是分析熱拱的概念性公式，在實(shí)際的管道中，還要綜合考慮管道約束及自重抑制等因素的影響。在管道應(yīng)力分析軟件中，給出了針對熱拱這一狀態(tài)下應(yīng)力分析的溫度值的需求。通常，設(shè)計人員也通過實(shí)際的測定值或者經(jīng)驗(yàn)值對熱拱的大概狀態(tài)進(jìn)行判斷，進(jìn)行相應(yīng)的力、力矩及應(yīng)力的核算。

2 產(chǎn)生熱拱的實(shí)例

熱拱發(fā)生在許多地方，只是有的熱拱現(xiàn)象不明顯，對整個工程沒有產(chǎn)生很大的影響，未引起足夠重視。但是許多熱拱的出現(xiàn)會對管道本身或支撐結(jié)構(gòu)等帶來意想不到的危害，應(yīng)盡量避免發(fā)生，如有發(fā)生，需要進(jìn)行一些必要的處理，才能使管道系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。下面列出了一些熱拱現(xiàn)象及對其進(jìn)行的經(jīng)驗(yàn)處理。

2.1 不均勻的熱輻射引起熱拱

暴露在陽光下的管道，內(nèi)部流體不能充分流動，傳熱效果不充分使得管道的受熱不均勻，在這種情況下，管道的上表面與下表面產(chǎn)生了溫差，當(dāng)這個溫差達(dá)到一定程度，就產(chǎn)生了熱拱。這種現(xiàn)象會導(dǎo)致支撐架脫空、局部支架因受力過大而受損，或者對與其連接的設(shè)備管口產(chǎn)生破壞，如大口徑不保溫的空管道或者低流速管道。在這種情況下，需在此管道上涂白色反射漆來減弱管道對熱輻射的吸收能力，進(jìn)而避免熱拱的發(fā)生。

在制氫裝置中，當(dāng)應(yīng)用豎琴管式的轉(zhuǎn)化爐爐型時，其下集氣管就會產(chǎn)生上拱的現(xiàn)象。國內(nèi)多個采用豎琴管式轉(zhuǎn)化爐的制氫裝置中，都出現(xiàn)了下集氣管上拱的情況，比如海南煉化制氫裝置、大連西太平洋制氫裝置等。由于這種爐型本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(見圖2)，爐管的溫度高，在不均勻的熱輻射下，下集氣管道上部的溫度高于下部，再加上外界環(huán)境、溫度及通風(fēng)效果的影響，當(dāng)其上下表面達(dá)到一定溫差時，就產(chǎn)生了熱拱(見圖3)。長期如此將導(dǎo)致管壁破裂，造成高溫高壓富氫氣體泄漏，甚至遇明火引起爆炸，存在重大安全隱患。要抑制這種情況下的熱拱，需盡量加大爐底通風(fēng)散熱來減小上下表面的溫差，或者設(shè)置有效的支架來抑制上拱。國內(nèi)某裝置應(yīng)用了彈簧限位架來抑制上拱，將彈簧限位架安裝于轉(zhuǎn)化爐底部橫梁和下集氣管之間，抑制上拱效果顯著[2]。

圖2 轉(zhuǎn)化爐管結(jié)構(gòu)

圖3 下集氣管的熱拱

另外，在大口徑、長距離的襯里管道中，受外界風(fēng)載的影響，造成迎風(fēng)面的管道外壁溫度低、背風(fēng)面的管道外壁溫度高，也會出現(xiàn)熱拱情況。這就要求設(shè)計人員在管道應(yīng)力分析中，不但要按照常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求考慮其導(dǎo)向支架的設(shè)置，還要考慮由熱拱帶來的橫向位移的因素，適當(dāng)設(shè)置導(dǎo)向支架的間距，及支架的約束要求。且這種情況下的迎風(fēng)面和背風(fēng)面的溫度值很難確定，只能給出相對保守的經(jīng)驗(yàn)值，如果想得到更靠近實(shí)際的模型，需對實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)測，然后復(fù)查模型。需要說明的是，以上的要求僅僅在假設(shè)襯里材料是均勻的前提下提出的，而在實(shí)際的情況中，往往因?yàn)槭┕に?、自然環(huán)境等原因，也會使分析的結(jié)果存在偏差，就要求設(shè)計人員在分析中充分考慮這些影響因素，以使分析更加安全可靠。某一項目的氣化爐的模型見圖4，該氣化爐總長約60m，外徑0.9m，內(nèi)襯耐火澆注料，外壁設(shè)計溫度260℃。在這個模型中，豎直管段的溫差設(shè)置為38℃，此溫差根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境下的風(fēng)速、最高頻風(fēng)向及相對保守的經(jīng)驗(yàn)值來確定，不同地區(qū)溫差值是不同的，根據(jù)模型計算的結(jié)果調(diào)整導(dǎo)向支架的位置及導(dǎo)向的間距，得出相應(yīng)的支架受力及設(shè)備管口受力，使得整體模型的冷熱態(tài)持續(xù)應(yīng)力值滿足要求，設(shè)備管口滿足要求，以此計算結(jié)果為依據(jù)來確保實(shí)際工程的安全可靠。圖中1、2、3、4、5、8、10處為導(dǎo)向支架，導(dǎo)向間隙均為0，每個導(dǎo)向架在熱拱工況下均有水平推力存在，以4點(diǎn)為例調(diào)取的計算結(jié)果見表1。

表1 節(jié)點(diǎn)4在各個工況下的受力值

圖4 某裝置氣化爐結(jié)構(gòu)圖

2.2 管道內(nèi)部介質(zhì)停滯導(dǎo)致熱拱

比如，在液化天然氣管道(LNG)系統(tǒng)的預(yù)冷調(diào)試過程中，當(dāng)?shù)蜏匾旱M(jìn)入到常溫的管道中，在未充滿管的情況下，管道的上下表面就會產(chǎn)生較大溫差，形成熱拱。設(shè)計者很早就意識到以上問題，因此，在開工過程中制定了很多有效的計劃來避免熱拱現(xiàn)象或者減小熱拱的幅度，在預(yù)冷時采取了適當(dāng)控制溫差及加強(qiáng)支架等措施。預(yù)冷時要逐步降低溫度，嚴(yán)格控制預(yù)冷速率，避免急冷、驟冷，一般預(yù)冷控制在8～10℃/h以內(nèi)，管道溫差小于50℃，避免閥門和法蘭連接面因?yàn)槔涫湛s不均引起泄漏。有文獻(xiàn)提到將LNG管道的上下溫差控制在22℃以內(nèi)[3]，22℃產(chǎn)生的熱脹差可通過管道的自重克服，但實(shí)際溫差往往會遠(yuǎn)超出22℃，因此，在進(jìn)行管道應(yīng)力分析時，可以適當(dāng)考慮這22℃溫差的余量對溫差值進(jìn)行整合確定。

2.3 石化裝置中的熱拱

在石化裝置中，由于一些不當(dāng)?shù)牟僮骷翱刂?，高溫的碳?xì)浠衔锖苋菀捉Y(jié)焦。一般情況下，管壁溫度與內(nèi)部介質(zhì)溫度是基本一致的，但一旦結(jié)焦積累在水平管道的底部，結(jié)焦的絕熱性能會使水平管道的底部溫度大大降低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于未結(jié)焦部分，就產(chǎn)生熱拱現(xiàn)象。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，一定要嚴(yán)格執(zhí)行操作控制規(guī)程。

3 結(jié)語

對工程中出現(xiàn)的熱拱情況要高度重視，深度分析其產(chǎn)生的原因，采取措施進(jìn)行抑制，并對抑制熱拱的方式方法進(jìn)行探索和研究，以有效抑制、避免或消除由熱拱帶來的破壞，保證管道及設(shè)備系統(tǒng)的安全，保障裝置的安全生產(chǎn)。

[1]ASME Order No.802854，Peng Pipe Stress Engineering [S].

[2]王永峰.消除豎琴轉(zhuǎn)化爐下集氣管熱變形的方法[M].北京：化肥工業(yè)出版社，2016.

[3]Venendaal，B.Dryout，Cooldown Keyed Cove Point Commissioning[J].Pipeline and Gas Journal，1979，206(7):28-38.

行業(yè)信息

安特威助力明化集團(tuán)潔凈煤氣化項目順利開車

2017年7月27日，山東明化集團(tuán)采用潔凈煤氣化技術(shù)實(shí)現(xiàn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級項目啟動開車程序，氣化爐主燃燒噴嘴一次點(diǎn)火成功并產(chǎn)出合格產(chǎn)品。明化集團(tuán)潔凈煤氣化項目于2015年初開工建設(shè)，2016年底建設(shè)完成，總投資近28億元，目前已實(shí)現(xiàn)了全線順控連鎖全部投用穩(wěn)定運(yùn)行。

作為裝置的閥門供應(yīng)商，蘇州安特威閥門有限公司在該項目的公開招標(biāo)中，成功拿到該項目24臺雙盤閥、9臺滑板閥的供貨合同，該裝置中的煤粉鎖斗閥、煤粉鎖斗平衡閥均采用安特威的雙盤閥。安特威用事實(shí)證明了所供產(chǎn)品的安全性和可靠性，贏得了客戶的贊譽(yù)。

(本刊通訊員)

Reasons and Solutions of Thermal Blowing in Pipeline Design

LIU Dan

(Beijing Petrochemical Engineering Co.，Ltd.，Xi’an Branch，Xi’an Shaanxi 710075，China)

Thermal blowing doesn’t only lead to bending displacement of pipelines，but also produces great thermal stress.Bending displacement and thermal stress are risky for pipelines.This paper introduces several real projecting cases of thermal blowing and related solutions.In real engineering projects，thermal blowing shall be avoided for the safety of pipelines.

thermal blowing；real projecting cases；solutions

劉丹(1982年—)，女，遼寧營口人，2006年畢業(yè)于河南科技大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事管道應(yīng)力計算工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.04.010

TQ055.81

B

1004-8901(2017)04-0036-03

2017-04-06