旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在廠區(qū)外管蒸汽管道的應(yīng)用分析

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

蒸汽是石油化工企業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的能源之一，常被運(yùn)用于化工生產(chǎn)中的工藝、加熱、吹掃等各種環(huán)節(jié)。而輸送蒸汽的管道一般溫度較高，根據(jù)金屬管道自身材料特性，在輸送介質(zhì)溫度作用下管道產(chǎn)生熱脹現(xiàn)象，造成高溫蒸汽管道的位移量偏大。因此，在蒸汽管道設(shè)計(jì)中，需采取必要的措施吸收管道熱脹所產(chǎn)生的位移。通常采用柔性設(shè)計(jì)使管道具備吸收熱位移的能力，可利用金屬管道自身的彈性設(shè)置膨脹彎，或設(shè)置補(bǔ)償器等方法進(jìn)行管道的柔性設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的補(bǔ)償器由波紋管補(bǔ)償器、球形補(bǔ)償器、套筒補(bǔ)償器等，而近年來旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在蒸汽管道的柔性設(shè)計(jì)中得到各行各業(yè)專業(yè)人員認(rèn)可，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的國家標(biāo)準(zhǔn)不久將出版。

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器是一種較新的補(bǔ)償形式，在經(jīng)濟(jì)性、安全性、高效性方面具有良好的使用效果。旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器具有補(bǔ)償距離長、壓力損失小、吸收位移量大、固定點(diǎn)推力小等特點(diǎn)。在國家節(jié)能降耗的政策環(huán)境下凸顯其優(yōu)勢。近年來已廣泛應(yīng)用于長距離供熱管網(wǎng)工程。推進(jìn)了石油化工行業(yè)管道補(bǔ)償器的更新?lián)Q代。

本文結(jié)合實(shí)際工程案例，對耐高壓自密封旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在高溫高壓蒸汽管道中的應(yīng)用進(jìn)行分析比較，探討旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的應(yīng)用優(yōu)勢。

1 工程概述

某化工企業(yè)5×105t/a苯乙烯項(xiàng)目中，銜接廠內(nèi)相關(guān)生產(chǎn)裝置的廠區(qū)外管中，各有一根中壓和高壓蒸汽管道，兩根蒸汽管道全程敷設(shè)于新建的廠區(qū)外管架上，每根管道的直線段長度約650m，管道具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 管道設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of pipelines

2 補(bǔ)償方式比較

自然補(bǔ)償和補(bǔ)償器補(bǔ)償是蒸汽管道最常用的兩種補(bǔ)償方式。

2.1 自然補(bǔ)償

自然補(bǔ)償主要利用管道方向的變化，依靠管道本身具有的彈性，使管系產(chǎn)生柔性來吸收位移、降低應(yīng)力、減小固定點(diǎn)推力。常用的自然補(bǔ)償主要有“L彎”、“Z 彎”、“Π 彎”等。

自然補(bǔ)償具有管道布置簡單、安裝方便、無需額外檢修維護(hù)費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。但對于高溫大管徑蒸汽管道而言，需要占用管廊的空間較大、能吸收的位移量小、補(bǔ)償能力有限，且需設(shè)置較多的彎頭，造成流體的局部阻力增加。在廠區(qū)外管設(shè)計(jì)中常常因?yàn)楣芾瓤臻g的限制，高溫大管徑蒸汽管道很難實(shí)現(xiàn)自然補(bǔ)償。

在蒸汽管道設(shè)計(jì)中， 通常優(yōu)先考慮自然補(bǔ)償，但對于高溫大直徑蒸汽管道而言，需要設(shè)置較多的膨脹彎，工程量增加、管路壓降增大、膨脹彎布置空間受限、管道固定點(diǎn)推力大等因素，使蒸汽管網(wǎng)的運(yùn)行存在諸多不安全性。尤其對于高溫高壓蒸汽管道，由于管道材質(zhì)要求較高，造成工程投資增加。

2.2 補(bǔ)償器補(bǔ)償

2.2.1 傳統(tǒng)補(bǔ)償器

傳統(tǒng)的補(bǔ)償器主要有：方形補(bǔ)償器、套筒補(bǔ)償器、波紋補(bǔ)償器和球型補(bǔ)償器等。它們各自有相應(yīng)的優(yōu)勢，但是其缺點(diǎn)也在實(shí)際應(yīng)用中漸漸體現(xiàn)出來[1]。

表2 傳統(tǒng)補(bǔ)償器形式及缺點(diǎn)Tab.2 Forms and disadvantages of traditional compensators

2.2.2 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器是一種較新型的補(bǔ)償器，其結(jié)構(gòu)形式具有耐高壓自密封作用，可以在不同工程的敷設(shè)環(huán)境中，采取靈活多變的布置形式。它的優(yōu)點(diǎn)是：補(bǔ)償量大、能克服盲板力、有良好的自密封性、較小的壓損、固定點(diǎn)推力小，用于高溫高壓蒸汽管道的熱補(bǔ)償可降低工程造價(jià)。這種補(bǔ)償器尤其適用于架空敷設(shè)的高溫高壓蒸汽管道。因它的性能優(yōu)越，近年來在中石油、中石化、首鋼集團(tuán)等單位的架空蒸汽管道設(shè)計(jì)中已被廣泛應(yīng)用，并且取得了卓越的效果。

3 補(bǔ)償方案分析

本案例在設(shè)計(jì)時(shí)，采用了自然補(bǔ)償方案A 和旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器方案B 兩種補(bǔ)償方案，并且對兩方案進(jìn)行了比對分析。

3.1 方案A

初步設(shè)計(jì)時(shí)，首先考慮自然補(bǔ)償將蒸汽管道布置成“擴(kuò)型空間”，采用立體膨脹彎的補(bǔ)償形式。通過彎頭和管段的彈性變形來吸收熱脹位移。

本案例因受限于廠區(qū)管廊寬度為6 m 的規(guī)模，根據(jù)工藝條件進(jìn)行應(yīng)力分析后，若每組立體補(bǔ)償?shù)牧Ρ蹫?.5 m，在保證應(yīng)力的情況下，直線段管道需每隔約30 m 布置一組立體Π 形膨脹彎，方案A 平面布置如圖1 所示。以單根高壓蒸汽管道為例，根據(jù)管架長度及界面情況，整個(gè)路由共需設(shè)16 處立體Π 形膨脹彎及4 處自然“L 彎”補(bǔ)償。每組立體Π 形膨脹彎需6 個(gè)彎頭，一個(gè)立體Π 形膨脹彎需管道長度約24 m。故方案A 中單根高壓蒸汽管共計(jì)需要114 個(gè)彎頭，管道長度總長約1 060 m，疏水排凝共需19 組。

管架也因此需30 m 設(shè)置一個(gè)3 ～ 4 m 跨度的固定管架，共計(jì)19 處固定點(diǎn)。

圖1 方案A 平面布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of plan A’s layout

3.2 方案B

方案B 平面布置如圖2 所示。補(bǔ)償器立體圖與布置軸測圖分別如圖3、圖4 所示。采用耐高壓自密封旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器，每組安裝旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的二根蒸汽管道，通過互換管位的方式形成管系旋轉(zhuǎn)所需的連桿機(jī)構(gòu)（如圖4 所示），通過補(bǔ)償器的旋轉(zhuǎn)吸收管道的熱脹位移。根據(jù)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的特性及管系連桿長度，二根蒸汽管道可每隔約150 m 左右設(shè)置一組（兩個(gè)）旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器。

圖2 方案B 平面布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of plan B’s layout

該補(bǔ)償組合形式是由2 個(gè)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器、4 個(gè)90度彎頭、1 段短管組成，每個(gè)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器與前后兩個(gè)90°彎頭構(gòu)成了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器之間采用短管連接形成旋轉(zhuǎn)連桿。如圖3 所示，連桿長度為L的力臂形成力偶，力臂環(huán)繞著旋轉(zhuǎn)軸中心旋轉(zhuǎn)，相同于杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)一樣，支點(diǎn)分別在兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器上，以此吸收力偶兩側(cè)直管段所產(chǎn)生的熱位移量。

圖3 “?！毙徒M合補(bǔ)償器立體圖Fig.3 Stereogram of the type of “?！?combined compensator

圖4 方案B 的布置軸測圖Fig.4 Axonometric drawing of plan B

同樣以單根高壓蒸汽管道為例，如此布置后的整個(gè)路由僅需設(shè)5 組旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器及4 處自然“L 彎”補(bǔ)償。每組旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償需4 個(gè)彎頭，管道長度約7 米。方案B 單根高壓蒸汽管道共計(jì)需要28 個(gè)彎頭，管道長度總長約710 m，固定點(diǎn)設(shè)置共8 處。

3.2.1 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的布置形式

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的布置形式多種多樣。除了上述二根管道“互換管位”方式，還可選擇其他不同種類的布置形式，比如“直線Z 字形”、“空間幾字形”、“階梯旋轉(zhuǎn)形”[2]等多種布置方式，具體可根據(jù)不同工程及環(huán)境條件等情況做不同的設(shè)計(jì)。不管是標(biāo)高變化多、走向改變多、管架層高要求等各種情況，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的設(shè)置都能更好地吸收熱脹位移和降低壓力，更加有效地利用空間，并節(jié)約工程投資。

甚至對于直埋式蒸汽管道來說，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的設(shè)置也使得埋地蒸汽管在應(yīng)力補(bǔ)償方面取得了很大的突破。使得傳統(tǒng)概念中長距離直埋高溫高壓蒸汽管受地理?xiàng)l件限制多、補(bǔ)償能力小、管道易破壞、易泄漏又不易處理、不安全、造價(jià)高等情況得到了很大的改善。

3.2.2 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的支架設(shè)置

確定選用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器方案后，還應(yīng)合理設(shè)置支架。

導(dǎo)向支架的設(shè)置需考慮橫向管道（連桿）熱膨脹作用使管道產(chǎn)生的橫向位移，所以在靠近旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的兩側(cè)一定距離內(nèi)不宜設(shè)置導(dǎo)向支架。同時(shí)在導(dǎo)向支架的選型時(shí)需根據(jù)管道橫向位移預(yù)留足夠的間隙。對于旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器管系布置而言，連桿臂越長，對固定點(diǎn)的推力就越小，可減小因熱膨脹而引起的對管道的破壞。

活動(dòng)支架的設(shè)置必須考慮旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的位移量，對于距離補(bǔ)償器最近的活動(dòng)支架，應(yīng)校核管道偏移量y1以及活動(dòng)支架的寬度，為保證管道熱膨脹時(shí)不會(huì)脫離管架橫梁。如圖5 所示， 圖中位置1 是管道膨脹前的原有定位，位置3 是熱膨脹后的定位，當(dāng)管道的法線偏移量Y將達(dá)到最大（即管道熱膨脹達(dá)到位置2時(shí)），此時(shí)就可能出現(xiàn)管道偏移量大到活動(dòng)支架掉落管架橫梁的危險(xiǎn)。

圖5 “?！毙徒M合補(bǔ)償器平面圖Fig.5 Floor plan of the type of “兀” combined compensator

處理辦法是根據(jù)管道法線最大偏移量公式，核算相對應(yīng)的離補(bǔ)償器最近的幾個(gè)活動(dòng)支架的管道偏移量y1，復(fù)核活動(dòng)支座寬度，確定合理的活動(dòng)支架長度，避免支架滑出橫梁的危險(xiǎn)。另外，為避免管道在膨脹縱向偏移時(shí)管道掉落支架的現(xiàn)象，本文根據(jù)諸多實(shí)際工程案例經(jīng)驗(yàn)，將離補(bǔ)償器最近的兩個(gè)滑動(dòng)支架（RS1、RS2）進(jìn)行了偏裝。并且RS1 及RS2 兩處滑動(dòng)支架均采用“加長管托”（管托長度=600 mm）來防止支架掉落現(xiàn)象。此外，也可以選用摩擦系數(shù)較小的滾動(dòng)支架或其他減阻管座等成品支架來降低對固定點(diǎn)的推力作用，保證管道運(yùn)行工作時(shí)的平穩(wěn)、安全、可靠。

3.2.3 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的安全性

為確保旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器能安全運(yùn)行，一般可以從補(bǔ)償器的旋轉(zhuǎn)夾角θ及補(bǔ)償器間距L問題來考慮。摩擦角將直接影響密封材料的使用壽命。管徑越大，那么摩擦角應(yīng)越小。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，L的推薦值在3 ～ 6 m范圍內(nèi)，而經(jīng)計(jì)算本文案例中L長度為4.9 m，滿足偏移量變化及工程經(jīng)驗(yàn)的推薦值。

除此之外，最關(guān)注的是旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的密封性。本案例中選用的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器為耐高壓自密封旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器。該補(bǔ)償器的旋轉(zhuǎn)筒內(nèi)裝設(shè)止退圈和減摩、定心珠，增加了工作上的可靠性。密封材料采用非石墨型專利端面密封材料和環(huán)向密封圈，提高了密封性能。

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器補(bǔ)償動(dòng)作結(jié)束后，管道即可進(jìn)入應(yīng)力釋放狀態(tài)，補(bǔ)償器不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)壓推力，在很大程度上降低了管道二次應(yīng)力的可能性，也增加了管系運(yùn)行的安全性。因而對于補(bǔ)償器兩端的固定支架來說，所承受的固定點(diǎn)推力相對較小。甚至無需安裝彈簧支架，既減少相應(yīng)的支架費(fèi)用，又可以降低蒸汽管道的運(yùn)行管理及檢修維護(hù)成本。

3.3 方案A、B 的對比分析

（1）方案A：從實(shí)例分析可以得知，該補(bǔ)償形式為軸向補(bǔ)償，推力較大，30 m 設(shè)置一組立體膨脹彎，一方面導(dǎo)致管架設(shè)計(jì)中固定管架的設(shè)置太過密集。另一方面是浪費(fèi)管道材料，同時(shí)管道內(nèi)流體的沿程阻力也有所增大。如蒸汽管網(wǎng)的用戶點(diǎn)多且密集，那么對于總體管網(wǎng)的分支管布置難度也提高了，管道的使用性能降低。另外，立體膨脹彎使得管網(wǎng)形成多處低點(diǎn)，均需設(shè)置疏水排凝措施。

（2）方案B：采用耐高壓自密封旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器，補(bǔ)償量得到提升，固定點(diǎn)的設(shè)置距離也可以變長，對于管架設(shè)計(jì)來說固定管架的設(shè)置也相應(yīng)減少，起到了廠區(qū)管架經(jīng)濟(jì)、簡練、美觀的效果。其次對于管材來說，彎頭的使用數(shù)量從原本自然補(bǔ)償所需的114 個(gè)減少至28 個(gè)，以至于管道的當(dāng)量長度相應(yīng)減小了，從而蒸汽管的壓力損失也減少了，計(jì)算壓降約為自然補(bǔ)償?shù)?/3 左右。同時(shí)管網(wǎng)低點(diǎn)數(shù)量減少，相應(yīng)的疏水閥組可減少11 組。

單根高壓蒸汽管道的兩種方案參數(shù)對比總結(jié)如表3 所示。

表3 單根高壓蒸汽管道補(bǔ)償方案對比表Tab.3 Comparison table of compensation schemes for the high pressure steam pipeline

綜上所述，方案A 不同程度地增加了土建、管材、疏水、探傷、保溫材料等費(fèi)用的投資。而方案B使用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器方案的優(yōu)勢顯而易見，不管是工程的難易度還是經(jīng)濟(jì)效益方面都是相對理想的。特別是對于材質(zhì)要求較高的高溫高壓蒸汽管道，與采用自然補(bǔ)償?shù)姆桨赶鄬Ρ龋捎眯D(zhuǎn)補(bǔ)償器方案更節(jié)約項(xiàng)目建設(shè)總投資。

故本案例最終選擇了旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器方案。

4 結(jié)束語

本文從實(shí)際工程案例中的高溫高壓蒸汽管道補(bǔ)償方案入手，比對了采用自然補(bǔ)償和采用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器兩種方案的經(jīng)濟(jì)性、安全性及合理性，討論旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在高溫高壓蒸汽管網(wǎng)工程中的應(yīng)用優(yōu)越性，并得出結(jié)論如下：

（1）旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的布置形式多種多樣，具有靈活性及適應(yīng)性突出等特點(diǎn)。在熱力管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)不同工程及環(huán)境條件等因素，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器可更易吸收熱位移及減小應(yīng)力，更加節(jié)省空間，節(jié)約工程投資。特別適用于距離較長、管道口徑較大、以及地形較復(fù)雜的蒸汽管道熱補(bǔ)償。

（2）經(jīng)過相關(guān)參數(shù)的比較可知，與自然補(bǔ)償方式等傳統(tǒng)補(bǔ)償方式相比，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器具有補(bǔ)償量大、壓損小、管材用量少、固定點(diǎn)推力小等特點(diǎn)，可有效減少土建工程量，降低項(xiàng)目投資。

（3）對于長距離輸送的蒸汽管道系統(tǒng)來說，使用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器可使蒸汽管道輸送半徑達(dá)到20km 左右，可以避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要在供熱半徑范圍內(nèi)額外增設(shè)小鍋爐的情況，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

（4）隨著國家對節(jié)能降耗、環(huán)境保護(hù)的不斷重視。新型的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器作管道的柔性設(shè)計(jì)，有其獨(dú)特的優(yōu)越性。