汽車制造業(yè)輸油工業(yè)管道中膨脹壓力問題的分析與解決

李曉君 趙妍 王春龍 吳大剛

摘要：工業(yè)管道是企業(yè)能源物質(zhì)輸送的命脈，是企業(yè)的生產(chǎn)、生活不可或缺的傳導(dǎo)設(shè)備，各種工業(yè)管道縱橫交錯，閥門、接頭種類復(fù)雜繁多，所處環(huán)境惡劣。工業(yè)管道所承載介質(zhì)的溫度、壓力、粘度、腐蝕性等物理化學(xué)性質(zhì)關(guān)系到工業(yè)管道前期的設(shè)計及投入后的使用壽命。特別在北方地區(qū)，冬季夏季溫差大，室外工業(yè)管道的設(shè)計尤其重要，既要考慮工業(yè)管道的工藝設(shè)計參數(shù)，又要考慮到冬季管道內(nèi)介質(zhì)凝固問題，因此在北方地區(qū)，室外的工業(yè)管道常安裝在地溝內(nèi)，地溝深度根據(jù)當?shù)貎鐾翆雍穸榷ǎㄩL春最大凍土層深度為169cm），有些地溝內(nèi)設(shè)置采暖水伴熱系統(tǒng)，保證地溝內(nèi)溫度，防止工業(yè)管道出現(xiàn)凍裂現(xiàn)象。本文就工業(yè)管道膨脹壓力上升進行分析，并針對有伴熱系統(tǒng)的工業(yè)管道由于熱膨脹原理導(dǎo)致工業(yè)管道內(nèi)壓力上升的問題分析并制作解決措施，防止工業(yè)管道壓力上升超過設(shè)計壓力而造成壓力管道破損或壓力過高損傷設(shè)備等故障的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：工業(yè)管道;膨脹壓力;泄壓裝置

在壓強增大時，流體就會被壓縮，導(dǎo)致體積減小，密度增大;而受熱后溫度上升時，流體的體積就會增大，密度會減小，這種現(xiàn)象稱為流體的壓縮性和熱脹性。對于液體來說這兩種變化都非常小，通常是可以忽略不計的。但當工業(yè)管道達到飽和壓力后處于封閉狀態(tài)，當溫差變化較大時，工業(yè)管道內(nèi)壓力上升就會較大，這種現(xiàn)象對工業(yè)管道及管道上各部件造成的損傷是不可忽略不計的。

本文將對工業(yè)生產(chǎn)中使用的可蘭素液體進行熱脹性分析，采用理論與實驗相結(jié)合方法，探究工業(yè)管道內(nèi)液體的熱脹性與液體本身的物理化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系。本文所得成果只局限于密閉空間液體壓力與溫度之間的關(guān)系，并將應(yīng)用于間歇性輸送工業(yè)管道設(shè)計及設(shè)備維護中。

一、工業(yè)管道膨脹壓力的現(xiàn)狀

（一）工業(yè)管道膨脹壓力問題簡述

在汽車生產(chǎn)制造過程中，是需要各類油品、可蘭素、玻璃水等液體，油品的輸送有嚴格的防火要求，通常采用氣動泵作為動力源進行油品傳輸。其末端設(shè)備設(shè)有儲液箱，并配有液位控制器。當液位到達下限位時，儲液箱自動閥門開啟進行補液;當液位到達上限位時，儲液箱自動閥門關(guān)閉停止補液。這時工業(yè)管道在氣動泵的作用下達到飽和壓力，氣動泵停止工作，管道保壓。此時在伴熱管路的作用下，工業(yè)管道內(nèi)介質(zhì)溫度上升，由于液體具有熱脹性，導(dǎo)致壓力隨之升高，甚至超過工業(yè)管道的設(shè)計壓力，嚴重影響工業(yè)管道及氣動泵的使用壽命。其中以可蘭素的熱脹性特別明顯，本章將以可蘭素為代表性液體進行膨脹壓力的現(xiàn)狀描述。

（二）可蘭素輸送管路系統(tǒng)介紹

1.可蘭素系統(tǒng)原理圖

2.可蘭素系統(tǒng)介紹

（1）可蘭素輸送管路采用不銹鋼管，規(guī)格：DN40，由氣動隔膜泵作為動力源輸送可蘭素，壓縮比例1∶1，壓縮空氣壓力為0.58–0.65Mpa之間，由調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)壓縮空氣壓力至0.3–0.4Mpa。

（2）可蘭素輸送管路總長度為190米，共由三部分組成，其中油庫內(nèi)部可送管道長度為10米，地溝內(nèi)管道長度為60米，總裝車間廠房內(nèi)管路長度為120米。地溝內(nèi)管道進出口處均裝有蝶閥，在系統(tǒng)圖中為1#、2#蝶閥。

（3）地溝內(nèi)部鋪設(shè)采暖水伴熱管路，規(guī)格：DN50，材料：不銹鋼管。伴熱管道內(nèi)水溫度為60–70℃，伴熱后地溝內(nèi)溫度可達到40℃。

（4）當方形儲液箱液位低于30%時，自動閥門開啟，開始對方形儲液箱補液，液位到達70%時，自動閥門關(guān)閉停止補液，可蘭素輸送管道系統(tǒng)壓力穩(wěn)壓0.3–0.4Mpa之間，氣動隔膜泵停止工作。

3.可蘭素系統(tǒng)膨脹壓力現(xiàn)象

（1）當輸送管路穩(wěn)壓0.3至0.4Mpa后，氣動隔膜泵停止工作，壓力表示數(shù)為0.35Mpa。穩(wěn)壓約30分鐘，壓力表示數(shù)逐步上升至2.2Mpa。

（2）升壓過程中，剛開始升壓速度較慢，隨后升壓速度逐步加快。如不進行泄壓，壓力上升至2.2Mpa后，穩(wěn)定壓力。

二、工業(yè)管道膨脹壓力的危害

（一）對設(shè)備的危害

1.對隔膜泵的危害。工業(yè)管道膨脹壓力會對管道泵、壓力表等部件造成損傷。在油庫內(nèi)使用的泵為氣動隔膜泵，當管道保壓后，隔膜泵隔膜兩側(cè)的壓力相同，隔膜泵停止工作。當管道在膨脹壓力的作用下管道壓力上升，致使隔膜單側(cè)壓力上升，隔膜兩側(cè)壓力失衡，液體側(cè)壓力高于氣體側(cè)，當壓差超過一定值后，就會造成隔膜擊穿現(xiàn)象，隔膜泵損壞。

2.對壓力表的危害。工業(yè)管道壓力表選用規(guī)程，壓力表量程一般為設(shè)計壓力的1.5—2倍。就上述可蘭素問題，壓力表原選用0.6Mpa量測的壓力表，在管路膨脹壓力的作用下，超過壓力表的量程，造成壓力表損壞，無法使用。出現(xiàn)故障后選用量程為2.5Mpa的壓力表進行監(jiān)測。

3.對末端設(shè)備的危害。工業(yè)管道末端設(shè)備選用上通常選用耐壓為設(shè)計壓力的1.5倍，但膨脹壓力通常為設(shè)計壓力的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，對末端設(shè)備的耐壓情況提出嚴控的考驗，輕則造成末端設(shè)備微滲問題，重則毀壞設(shè)備無法修復(fù)。

（二）對工業(yè)管道的危害

1.對管道的危害。工業(yè)管道耐壓一般為設(shè)計壓力的1.5倍，當膨脹壓力過高時會將管路擊穿，造成滲漏問題或者造成管路破裂，無法修復(fù)，影響企業(yè)正常生產(chǎn)經(jīng)營，甚至會出現(xiàn)安全事故。

2.對管件的危害。工業(yè)管道在膨脹壓力的作用下，管道連接處會出現(xiàn)滲漏問題。法蘭連接部位造成法蘭墊破損;閥門造成損害，關(guān)閉不嚴等問題。

（三）對操作人員的危害

工業(yè)管道在膨脹壓力的作用下導(dǎo)致閥門部件破裂，連接件飛出情況，存在安全隱患。特別在氣體壓力管道上特別明顯，這是由于氣體可壓縮性強。升高同等壓力，氣體比液體能力升高更多，含有的能力更多，管道破裂后造成的迫害性越強。

以上是工業(yè)管道膨脹壓力的危害，現(xiàn)場中要注意觀察管道壓力變化，最好追蹤監(jiān)控，將壓力控制在合理范圍，保證工業(yè)管道正常運行，避免膨脹壓力對企業(yè)安全生產(chǎn)經(jīng)營造成影響。

三、工業(yè)管道膨脹壓力的消除方法

（一）工業(yè)管道膨脹壓力的原因分析

1.工業(yè)管道膨脹壓力–設(shè)備上的原因

（1）設(shè)備采用隔膜泵供給輸送方式，會出現(xiàn)不連續(xù)輸送情況，低于設(shè)定下限液位時，隔膜泵啟動作業(yè)，達到上限液位時，隔膜泵停止工作，管道壓力維持恒定，進入保壓狀態(tài)，因此造成工業(yè)管道密閉和具有初始壓力。

（2）油庫內(nèi)部的儲液罐未安裝加熱裝置，冬季時儲液罐內(nèi)部的液位溫度較低，進入管道后有伴熱管路，導(dǎo)致對液體進行加熱，因此產(chǎn)生液體溫度上升，出現(xiàn)膨脹壓力現(xiàn)象。

（3）工業(yè)管道上沒有泄壓裝置，當壓力超過管路設(shè)定壓力時，無法進行泄壓排放，這樣介質(zhì)出現(xiàn)熱膨脹后，壓力無法釋放，工業(yè)管道就會產(chǎn)生膨脹壓力現(xiàn)象。

2.工業(yè)管道膨脹壓力–介質(zhì)上的原因。工業(yè)管道內(nèi)部輸送介質(zhì)的熱膨脹性較大，明確輸送介質(zhì)的熱膨脹性可以通過實驗進行確認，將1升的液體按照0.2MPa的壓力加入到DN50的管路中;初始液體及管路溫度為10℃，對管路進行加熱，使液體和管道共同達到40℃時，查看管道壓力上升情況，如壓力上升超過0.3Mpa，則認定為該液體熱膨脹性較大，在工業(yè)管道運行使用過程中需要考慮液體的熱膨脹性。

3.工業(yè)管道膨脹壓力–輸送方式上的原因。工業(yè)管道輸送介質(zhì)過程中，一般分為供給式輸送、抽取式輸送或者兩者相結(jié)合使用。采用供給式輸送時，管路內(nèi)形成正壓力，采用抽取式輸送時，管路內(nèi)形成負壓力。工業(yè)管道采用供給式輸送并且是非連續(xù)型輸送，工業(yè)管道運行過程存在保壓階段，這樣液體膨脹所產(chǎn)生的壓力無法進行釋放，就會產(chǎn)生膨脹壓力情況。

4.工業(yè)管道膨脹壓力–環(huán)境上的原因。工業(yè)管道用于輸送介質(zhì)，由于介質(zhì)的溫度變化導(dǎo)致產(chǎn)生膨脹壓力情況。冬季時室外溫度較低，運送到油庫的液體油品等溫度較低，輸送到工業(yè)管道后進行加熱，導(dǎo)致介質(zhì)溫升較大，這樣就會產(chǎn)生較大的熱膨脹，出現(xiàn)膨脹壓力情況。

（二）工業(yè)管道膨脹壓力的消除方法

1.工業(yè)管道輸送方式優(yōu)化。將供給型輸送管道改造為抽取式輸送管道，確保管道處于負壓狀態(tài)，這樣會避免膨脹壓力的產(chǎn)生，但這種輸送方式要嚴格考慮輸送管道的長度，精密計算管道的延程阻力和局部阻力，確保抽取到真空狀態(tài)情況下，液體可以在大氣壓的作用下是介質(zhì)達到設(shè)計流速和流量，保證工業(yè)管道正常運行。

2.工業(yè)管道設(shè)備上的改造

（1）將儲液罐改造為加熱型儲液罐，將介質(zhì)進行預(yù)加熱，使進入工業(yè)管道內(nèi)的介質(zhì)初溫達到一定高度，從而減少介質(zhì)溫升，控制介質(zhì)的熱膨脹范圍在工業(yè)管道承受范圍內(nèi)，從而消除膨脹壓力問題。

（2）在工業(yè)管道上安裝泄壓裝置，當工業(yè)管道內(nèi)部的壓力高于設(shè)定壓力時，會通過泄壓裝置將膨脹的介質(zhì)排出，從而降低管道內(nèi)部壓力，以此消除膨脹壓力問題。

（三）可蘭素輸送系統(tǒng)膨脹壓力的消除方法

1.可蘭素輸送系統(tǒng)方案確認。通過對工業(yè)管道膨脹壓力問題的分析，本系統(tǒng)最終采用加裝泄壓裝置的方案，以此消除膨脹壓力問題。系統(tǒng)原理圖如下：

2.可蘭素輸送系統(tǒng)實施效果。通過加裝泄壓裝置后，該系統(tǒng)未出現(xiàn)過超壓問題，保證系統(tǒng)正常運行，并且泄壓排放的介質(zhì)重新返回到儲液罐，避免造成浪費問題。執(zhí)行該方案，投入成本最低，且效果良好，簡單有效。

四、結(jié)語

工業(yè)管道是企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的重要設(shè)備，用于輸送各種介質(zhì)，保證企業(yè)正常生產(chǎn)經(jīng)營。工業(yè)管道大多布置在高空或者地下，當出現(xiàn)問題時維修困難，并且原因查找困難。工業(yè)管道在運行過程中存在多種問題，要進行全面系統(tǒng)性分析，建立系統(tǒng)判定能力，掌握管道運行特點和基本原理，通過理論推測和假設(shè)演示的方法預(yù)測故障，并結(jié)合實際情況進行對比分析，以此查找工業(yè)管道故障，減少工業(yè)管道故障查找時間，快速解決工業(yè)管道運行問題。

工業(yè)管道的膨脹壓力問題一直是設(shè)計人員和運行維護人員容易忽略考慮的細節(jié)情況。相關(guān)工作人員要充分認識膨脹壓力對管道及設(shè)備造成的危害，及時消除膨脹壓力的影響，保證工業(yè)管道正常運行，為企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營提供有力保障。

參考資料

王惠民.流體力學(xué)基礎(chǔ)[M].第3版.北京：清華大學(xué)出版社，2013.