旋轉(zhuǎn)補償器在管廊上的應(yīng)用分析

周 威

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223 )

熱力管道的熱效應(yīng)會產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱位移，為避免管道的熱效應(yīng)對管道和管廊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，必須設(shè)計補償結(jié)構(gòu)來吸收熱位移，以減小應(yīng)力。傳統(tǒng)項目中一般采用自然補償來吸收熱位移，但自然補償?shù)奈漳芰τ邢?，管系阻力降和熱損失大，固定支架處推力大。隨著石油化工項目規(guī)模日益擴大，全廠管廊上熱力管道口徑不斷增大、長度不斷增加，采用自然補償將大幅度提高項目投資和運行成本，尋求新的、更有效的補償方式顯得十分必要。

在熱力管道上安裝補償器是更有效解決熱力管道熱效應(yīng)的途徑。在石油化工領(lǐng)域常用的補償器有套筒式補償器、波紋管補償器、球形補償器和旋轉(zhuǎn)補償器等。套筒式補償器必須與管道同軸布置，抗側(cè)向推力差，易泄漏，會產(chǎn)生盲板力，維護成本高[1]。波紋管補償器使用壽命短，抗側(cè)向扭矩和抗震效果差，補償能力欠佳[2]。球形補償器補償能力強，不會產(chǎn)生盲板力，但隨著運行時間積累，補償器密封圈易因磨損而發(fā)生泄漏[3]。旋轉(zhuǎn)補償器是一種新型補償器，具有補償能力強、布置形式靈活多樣、安全性能高和經(jīng)濟性好等特點，可以有效提高大型管廊上熱力管道的綜合性能。

1 旋轉(zhuǎn)補償器在管廊上的布置形式

旋轉(zhuǎn)補償器在管廊上的布置形式見圖1。

圖1 旋轉(zhuǎn)補償器在管廊上的布置形式(“X”代表固定支架)

1.1 雙“U”型布置

雙“U”型布置在大型管廊應(yīng)用最為常見，由于大型石油化工全廠性管廊上管道數(shù)量眾多，管道在管廊上平行布置，不能輕易改變管道走向。該布置方式可以將多條平行布置的熱力管道集中套在一起布置旋轉(zhuǎn)補償器，在管廊立柱懸挑牛腿設(shè)固定支架，固定支架兩邊對稱布置兩對旋轉(zhuǎn)補償器，固定支架兩側(cè)的推力可以相互抵消。

1.2 “T”型布置

“T”型布置主要用于管廊母管抽頭的支管上，在熱力管道上，抽頭的支管會受到母管熱位移的影響，同時支管自身的熱位移也會對母管產(chǎn)生影響。為了減小母管和支管彼此之間的影響，可在支管抽頭拱起的立管上設(shè)一對旋轉(zhuǎn)補償器，吸收母管和支管自身的熱位移。

1.3 “Z”型布置

“Z”型布置主要用于改變管道在管廊上水平位置。管道向上拱起改變管道在管廊上的水平位置，在拱起的立管上布置一對旋轉(zhuǎn)補償器。該方式會將管道對稱布置，固定支架處推力較小。

1.4 “L”型布置

“L”型布置主要使用于管廊拐彎處，有兩種布置方式。當(dāng)管廊拐彎處有較大的高差且足以布置2個旋轉(zhuǎn)補償器時，可在立管處分階梯布置2個旋轉(zhuǎn)補償器(見圖1“L”型(1))。當(dāng)管廊拐彎處沒有高差或者高差較小時，在管廊拐彎處向上拱起，利用拱起的立管布置一對旋轉(zhuǎn)補償器(見圖1“L”型(2))。兩種方式都是通過一對旋轉(zhuǎn)補償器的轉(zhuǎn)動來吸收管道位移。

1.5 單“U”型布置

單“U”型布置主要用在管廊改變高差處，管道在變化高差時向一側(cè)水平伸出形成“U”型彎，在“U”型彎的兩臂上布置一對旋轉(zhuǎn)補償器。由于該布置方式管道需要在管廊里水平轉(zhuǎn)彎，會阻擋“U”型彎一側(cè)的管道，故其應(yīng)用較少，多布置于管廊最外側(cè)的熱力管道上。

2 旋轉(zhuǎn)補償器轉(zhuǎn)動角度分析

由于雙“U”型布置方式在大型管廊上應(yīng)用最為常見，故選取該布置方式分析旋轉(zhuǎn)補償器各參數(shù)對管道熱位移的影響。由于雙“U”型布置為對稱布置，可選取兩固定支架間單側(cè)“U”型管道模型進行分析，旋轉(zhuǎn)補償器的運動簡化模型見圖2。其中，L0為主管長度，ΔL為主管產(chǎn)生的熱位移，Y為主管產(chǎn)生的側(cè)向位移；L為兩旋轉(zhuǎn)補償器之間臂長，α為旋轉(zhuǎn)補償器轉(zhuǎn)動角度；u為懸挑牛腿固定架到補償器之間管道長度，由于該長度遠小于Lo，其產(chǎn)生的熱位移可以忽略不計。

圖2 雙“U”型布置旋轉(zhuǎn)補償器的運動簡化模型

根據(jù)管道的線性熱膨脹量可得主管熱位移：

ΔL=L0×ΔT×ε

(1)

式中，ΔT為溫度變化量； ε為管道熱膨脹系數(shù)。

根據(jù)圖2中幾何關(guān)系和式(1)可得：

(2)

(3)

由式(1)～(3)可以推出，當(dāng)臂長L一定時，主管熱位移量ΔL越大，旋轉(zhuǎn)器的角度越大；當(dāng)主管熱位移量ΔL一定時，減小旋轉(zhuǎn)補償器間的臂長L，補償器旋轉(zhuǎn)的角度α增大。雖然旋轉(zhuǎn)補償器的轉(zhuǎn)動角度增大，有利于提高其補償性能，但是旋轉(zhuǎn)補償器的轉(zhuǎn)動角度α越大，對主管的側(cè)向位移影響也越大，同時補償器自身的摩擦推力也更大。為了控制主管側(cè)向位移過大和減小補償器的摩擦推力，設(shè)計時需要限制旋轉(zhuǎn)角度α。一方面，通過控制主管熱位移量ΔL值，由于熱膨脹系數(shù)和溫差變化無法控制，只能通過控制主管長度L0來控制ΔL值；另一方面，適當(dāng)增大臂長L值來控制轉(zhuǎn)動角度大小，但是臂長也不宜過大，因為臂長過大后，臂長自身的熱膨脹會引起主管側(cè)向位移迅速增大。一般旋轉(zhuǎn)補償器的轉(zhuǎn)動角度以不超過25°為宜。

3 旋轉(zhuǎn)補償器臂長及固定支架受力分析

管道固定支架軸向推力主要來自兩個方面：一是克服一對旋轉(zhuǎn)補償器轉(zhuǎn)動力矩產(chǎn)生的推力FM對固定支架所產(chǎn)生的推力F1；二是固定支架到補償器之間管道產(chǎn)生的摩擦力F2[4]。

根據(jù)圖3中的簡化模型和力學(xué)知識可得：

(4)

(5)

式中，Mk為旋轉(zhuǎn)補償器的轉(zhuǎn)動力矩，一般由廠家提供。

圖3 旋轉(zhuǎn)補償器的力學(xué)簡化模型

管道產(chǎn)生的摩擦力：

F2=μ×G

(6)

式中，μ為管托與管廊結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)，G為固定支架至旋轉(zhuǎn)補償器之間管道及附件、管道內(nèi)介質(zhì)等的重力。

固定支架的軸向推力：

(7)

根據(jù)式(7)可得，在旋轉(zhuǎn)補償器力矩一定的情況下，固定支架推力主要受主管長度、摩擦系數(shù)、轉(zhuǎn)動角度和旋轉(zhuǎn)補償器臂長等因素的影響。隨著主管長度增加、重力增大、管道產(chǎn)生的摩擦力增大，導(dǎo)致固定支架推力增大。降低管托和管廊之間摩擦系數(shù)可以降低固定支架推力，一般通過選用低摩擦管托或滾動管托來降低摩擦系數(shù)。隨著轉(zhuǎn)動角度增大，克服力矩產(chǎn)生的推力增大，傳遞至固定支架處推力增大。隨著旋轉(zhuǎn)補償器臂長增大，克服力矩產(chǎn)生的推力減小，引起固定支架處推力變小。通過控制主管長度和補償器轉(zhuǎn)動角度，可以有效降低固定支架推力，一般主管長度控制在200m左右，轉(zhuǎn)動角度不宜超過25°。

雖然增加旋轉(zhuǎn)補償器臂長可以降低固定支架的軸向推力，但是臂長不宜過長。一方面，補償器臂長過長，旋轉(zhuǎn)臂自身的熱膨脹會引起主管側(cè)向位移迅速增大；另一方面，補償器臂長過長對管廊空間需求越大，管廊成本增加。但過小的臂長是不允許的：第一，其他因素不變，臂長減小，旋轉(zhuǎn)角度增加，由式(7)可以看出，克服力矩產(chǎn)生的軸向推力迅速增大；第二，臂長過小，旋轉(zhuǎn)角度超過補償器允許的極限值，補償器旋轉(zhuǎn)時克服的摩擦反力迅速增大，旋轉(zhuǎn)補償器可能因發(fā)生卡塞而無法正常旋轉(zhuǎn)；再者，管廊上的旋轉(zhuǎn)補償器是成組集中布置的，臂長過小，旋轉(zhuǎn)補償器旋轉(zhuǎn)角度過大可能會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)補償器相互碰撞或卡死。所以，臂長的選取應(yīng)恰當(dāng)，廠家通常會根據(jù)主管的口徑給出旋轉(zhuǎn)臂長的推薦值，主管口徑越大，臂長推薦值也越大。

4 旋轉(zhuǎn)補償器管道支架設(shè)計分析

采用旋轉(zhuǎn)補償器的熱力管道支吊架與采用自然補償?shù)墓艿乐У跫茉谠O(shè)計方面有很多不同之處，在設(shè)計過程中需要注意下列問題。

(1)由于旋轉(zhuǎn)補償器補償能力很強，固定支架設(shè)置間距較大，導(dǎo)致管道的軸向位移比采用自然補償時顯著增大，為了避免較大的熱位移引起管托滑落，管托一般需要加長或者偏裝。管托的加長量和偏裝量根據(jù)管道支架點的熱位移量來確定，偏裝量一般為管道熱位移的一半，偏置方向與位移方向相反[5]。

(2)旋轉(zhuǎn)補償器在旋轉(zhuǎn)的過程中會產(chǎn)生側(cè)向位移，一般需要在成組布置的旋轉(zhuǎn)補償器附近的主管上設(shè)置導(dǎo)向支架，保證轉(zhuǎn)補償器能夠按照正確的方向旋轉(zhuǎn)。 但導(dǎo)向支架不能距離補償器太近，否則可能會導(dǎo)致補償器卡死。一般導(dǎo)向支架距離旋轉(zhuǎn)補償器的水平距離為10～20倍的管道公稱直徑。

(3)由于旋轉(zhuǎn)補償器與固定支架之間的距離較大，滑動管托與管廊之間累積的摩擦力較大，為有效降低摩擦力對固定支架推力的影響，可選用低摩擦系數(shù)管托，如滾動管托或在管托與管廊結(jié)構(gòu)摩擦面采用不銹鋼板或聚四氟乙烯板等[6]。

5 結(jié)語

旋轉(zhuǎn)補償器在管廊上的布置形式靈活多樣，具有廣泛的適用性和較強的補償性能。旋轉(zhuǎn)補償器在熱力管道上的綜合性能受多方面因素影響。為平衡好旋轉(zhuǎn)補償器補償性能、固定支架推力、管道側(cè)向位移和管廊上安裝空間等因素之間的關(guān)系，需控制合適的轉(zhuǎn)動角度、旋轉(zhuǎn)臂長和主管長度。設(shè)計旋轉(zhuǎn)補償器管道支吊架時，需考慮固定支架間距大和管道位移量大等特點對支吊架設(shè)置的特殊要求。