化工管道設計中的自然補償法

朱文慧

（武漢金中石化工程有限公司，湖北武漢 430223）

在工業(yè)化建設進程不斷加快的新產(chǎn)業(yè)時代背景下，管道作為能量供應及燃料資源的重要運輸載體，熱脹冷縮是管道受外界溫度變化而引起的不可避免現(xiàn)象，長此以往管道設計尺寸會發(fā)生一定變化，倘若企業(yè)單位未能在第一時間進行及時、有效的補償，當管道應力超過管道自身許用應力范圍時，管道就會被破壞，從而增加企業(yè)運行和維護成本的同時，給人們的生命財產(chǎn)埋下巨大安全隱患，就目前來看，“自然補償”是一種最經(jīng)濟、最有效且最可靠的補償方式，將其應用于管道設計中是推動企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎和根本前提。

1 化工管道設計中“自然補償”方式作業(yè)對象

在當前化工管道設計作業(yè)過程中，補償方式有兩種∶人工補償和自然補償，其中無論是實用性、高效性和經(jīng)濟性，自然補償都具有顯著應用優(yōu)勢，是現(xiàn)階段化工管道設計處理中常用的一種補償方式。就目前來看，不同公稱管徑長度的管道，進行“自然補償”時的外界溫度臨界點也不盡相同，對于管徑在100mm 以上的化工管道，倘若運輸溫度高于230℃或者低于20℃時，此時就需要化工企業(yè)工作人員進行自然補償處理，而對于管徑在150mm 以上的化工管道，當運輸溫度超過120℃時就要進行自然補償處理，與此同時在對管徑150mm 以上化工管道進行自然補償時，由于和空冷器相連接的管道材料很容易在后續(xù)長期應用過程中出現(xiàn)熱脹冷縮問題，工作人員必須確保處理強度的合理性、科學性和有效性。除此之外，在化工管道鋪設過程中，倘若與壓力容器相連接的管道亦或是相應管廊公稱直徑在150mm 以上的管道需要進行自然補償處理時，若處理不當或處理工作沒有落實到實處，從某方面而言不僅極易引發(fā)各種安全問題，甚至給企業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標的實現(xiàn)造成極為不利的影響，最終嚴重破壞了社會的穩(wěn)定性、和諧性和安穩(wěn)性。

2 化工管道設計中“自然補償”方式的基本概述

“自然補償”其實就是利用管道本身自然彎曲彈性，對管道熱變形或其他部位位移進行補償?shù)囊环N方式，而常見的自然補償有三種方式，即L 形直角彎、Z 形折角彎和π 形彎。

2.1 L形直角彎自然補償概述

在對化工管道進行補償處理過程中，L 形直角彎自然補償是最常見，也是最簡單的一種補償方式，其主要就是利用一個彎頭組成的轉(zhuǎn)彎，來對位移區(qū)域進行補償?shù)囊环N形式，在確保管道體系達到理想保護效果的基礎上，最大程度地規(guī)避后期各類熱脹冷縮的再次出現(xiàn)，進而為最終理想效果的取得奠定良好基礎。

在L 形直角彎自然補償作業(yè)過程中，對L 形自然補償短臂長度進行計算是極為必要的，其計算公式為：L=1.1（ΔL（長臂L有效熱伸長量）Dw（管道外徑）/300）1/2。在進行計算的過程中，為確保計算的科學性、合理性和準確度，基層產(chǎn)業(yè)機構(gòu)和相關(guān)主管部門的工作人員需綜合考慮整個L 形直角彎的長臂可能出現(xiàn)的熱伸長量，如針對L 形管段受熱變形由導向支架開始、由二臂導向支架開始以及由固定架開始，以此為預期處理目標的獲得奠定良好基礎。示意圖見圖1。

圖1 L形直角彎自然補償設計示意圖

2.2 Z形折角彎自然補償概述

Z 形折角彎主要是利用二個彎頭組成的轉(zhuǎn)彎，來對位移區(qū)域進行補償，其補償方式和補償效果也極為突出。與L 形直角彎自然補償相比，Z 形折角彎自然補償與企業(yè)有著一定的相似之處，即它也需要各項數(shù)據(jù)進行計算，不同的是它的處理涉及兩個彎頭，計算難度相對較高。

在Z 形折角彎自然補償作業(yè)過程中，對Z 形折角彎補償短臂長度進行計算是極為必要的，其計算公式為：l={6ΔLEDw/107[σbw]（1+1.2n）}1/2，其中E為管道材料彈性模量（MPa），[σbw]為彎曲應力（MPa）。在進行計算的過程中，為確保計算的科學性、合理性和準確度，基層產(chǎn)業(yè)機構(gòu)和相關(guān)主管部門的工作人員需綜合考慮整個Z 形折角彎的長臂可能出現(xiàn)的熱伸長量，如針對Z 形管段受熱變形由導向支架開始、由二臂導向支架開始以及由固定架開始，與L 形不同的是，Z 型僅有二個方向位移和推力，靠兩水平臂的變形補償吸收垂直臂變形產(chǎn)生的應力，水平臂越長其補償能力越大。除此之外，Z 型自然補償也可以設計成立體的，立體Z 型可以同時利用管段的徑向和扭轉(zhuǎn)變形吸收其相鄰管段的熱伸長，因而其補償性能較平面Z 型要好。示意圖見圖2。

圖2 Z形折角彎自然補償設計示意圖

2.3 π形彎自然補償概述

π 形彎主要是利用四個或六個彎頭組成的轉(zhuǎn)彎，來對位移區(qū)域進行補償，主要針對的是一些需要補償強度較大的化工管道區(qū)域。與L 形直角彎自然補償和Z 形折角彎自然補償相比，π 形彎既可水平布置，也可立體布置，當有兩個或兩個以上的π 形進行補償時，為確保補償?shù)目茖W性、合理性和有效性，需盡量采取統(tǒng)一和集中設置處理方式。除此之外，在進行補償時，管徑較大、溫度較高需要較大補償量的管道設置在外側(cè)，管徑較小，溫度相對較低的管道設置在內(nèi)側(cè)。

就目前來看，隨著城市化、工業(yè)化建設進程的不斷加快，企業(yè)規(guī)模持續(xù)增加的同時，π 形自然補償?shù)膽寐室膊粩嗵岣?，在進行補償位置選擇時，基層產(chǎn)業(yè)機構(gòu)和相關(guān)主管部門的工作人員需從根本上提高對π 型自然補償方式應用的重視度，在全面綜合考慮管道布置空間和現(xiàn)場位置的基礎上，還要將其設在兩固定支架之間，且在兩固定架中間位置為最佳，若不能滿足此條件，它與固定點的間距應盡可能的小。

圖3 π形彎4個彎頭自然補償設計示意圖

圖4 π形彎6個彎頭自然補償設計示意圖

3 現(xiàn)階段在化工管道設計中自然補償優(yōu)化策略

3.1 不斷地提高管道自身彈性度

自然補償其實主要就是利用管道自身彈性度進行位移補償?shù)囊环N方式，要想從根本上提高自然補償能力和作業(yè)效率，提高管道自身彈性度是極為必要性，換言之就是確保管道具有一定彈性，是推動產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展的重要戰(zhàn)略性策略。據(jù)調(diào)查，對管道彈性大小的影響因素主要有管道的形狀、長度、尺寸以及彈性模量，因此在進行化工管道設計和施工作業(yè)過程中，基層產(chǎn)業(yè)機構(gòu)和相關(guān)主管部門需提高對管道采購作業(yè)的重視度，通過采購合理化管道來進行施工，減少后期維護成本的同時，避免返工問題的出現(xiàn)，最終為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展奠定良好基礎。

3.2 利用管支架改善管道自然補償能力

就目前來看，在進行自然補償能力改善過程中，利用管支架對其補償能力進行改善，也是現(xiàn)階段基層產(chǎn)業(yè)機構(gòu)和相關(guān)主管部門進行補償能力提升的重要戰(zhàn)略性舉措。從某方面而言，在實際作業(yè)過程中，一方面基層產(chǎn)業(yè)機構(gòu)工作人員需充分利用固定支架或者是彈性支架，在將移量控制在合理范圍內(nèi)的基礎上，通過分散與吸收管道局部產(chǎn)生的熱應力，達到提高自然補償能力的效果；另一方面相關(guān)人員還可在設置化工管道固定點期間，把該點設置在承受沖擊力最大的位置，從而減少位移發(fā)生頻率，降低工程返工作業(yè)成本。

4 結(jié)束語

化工企業(yè)作為推動國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎產(chǎn)業(yè)，其建設規(guī)模和數(shù)量持續(xù)增加的同時，管道鋪設量也持續(xù)增加。作為燃料運輸載體，管道設計的科學性、合理性和有效性，對于企業(yè)發(fā)展而言有著重要影響，但由于受外界溫度變化的影響，管道自身會產(chǎn)生一定的位移，若未能及時對其進行處理更極有可能危及人們生命財產(chǎn)安全，為此要想從根本上規(guī)避上述問題的出現(xiàn)，充分發(fā)揮化工產(chǎn)業(yè)的積極作用，在化工管道設計過程中綜合考慮管道熱脹冷縮問題也是十分必要的，為此相關(guān)部門需不斷地創(chuàng)新與完善化工管道設計中的自然補償法，我國工業(yè)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展奠定良好基礎。