旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在中壓蒸汽管道中的應(yīng)用

屈 饒

(湖南化工設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410021)

1 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器概述

1.1 結(jié)構(gòu)

與套筒式補(bǔ)償器相比旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器擁有較為相似的外觀，主要的差異就在于套筒式補(bǔ)償器在吸收管道軸向位移的過(guò)程中是借助外筒和內(nèi)筒的自由滑動(dòng)來(lái)完成，而旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的吸收角位移是通過(guò)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)筒來(lái)完成，也就是使用補(bǔ)償器的角位移來(lái)代替管道的線位移。旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器主要由大小頭、壓緊螺栓、密封材料、密封座、密封壓蓋、旋轉(zhuǎn)筒體以及減摩定心軸承等構(gòu)件組成[1]。旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器除了應(yīng)用傳統(tǒng)的環(huán)面密封結(jié)構(gòu)外，還使用了高強(qiáng)度剛?cè)釓?fù)合密封材料進(jìn)行端面密封，在提升管道介質(zhì)壓力的過(guò)程中，能夠有效增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的密封效果。當(dāng)存在低于 0.5 MPa 的介質(zhì)壓力時(shí)，只會(huì)有較小的拉力施加在彎管中的盲板上，在這時(shí)起到主導(dǎo)作用的為環(huán)面密封。而當(dāng)存在 0.5 MPa 以上的壓力時(shí)，將會(huì)逐漸壓緊端面密封，最終端面將逐漸代替環(huán)面承受壓力，環(huán)面密封能夠發(fā)揮雙保險(xiǎn)的作用。

1.2 布置方式

正常情況下旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器應(yīng)該使用如圖1所示的布置方式。旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器包含短管1段、90°彎頭4個(gè)、旋轉(zhuǎn)筒2個(gè)，連接兩端的90°彎頭和旋轉(zhuǎn)筒形成旋轉(zhuǎn)節(jié);連接每個(gè)旋轉(zhuǎn)節(jié)一端的90°彎頭和同一短管形成橫臂;在連接前后直管與每個(gè)旋轉(zhuǎn)節(jié)另一端的90°彎頭后安裝補(bǔ)償裝置的工作就已完成。

①左直管;②旋轉(zhuǎn)筒;③橫臂;④右直管

1.3 應(yīng)用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的重要作用

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器具有壓降小、安全性好、補(bǔ)償距離長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，適宜在電廠長(zhǎng)距離輸送線路或者系統(tǒng)管廊中設(shè)置。

相比于傳統(tǒng)的補(bǔ)償方式，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在設(shè)計(jì)理念方面存在很大的差異，使用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償替代了軸向補(bǔ)償。因?yàn)樘岣吡?～10倍的補(bǔ)償量，使需要使用的彎頭數(shù)量得到了大幅度減少，相應(yīng)地也在很大程度上減少了管道的當(dāng)量長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)了蒸汽管道溫降和壓降的減少，在項(xiàng)目中只需要投入較低的長(zhǎng)期運(yùn)行維護(hù)成本和一次性投資數(shù)量，其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益非常好。

1.3.1 降低項(xiàng)目建設(shè)投資

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器能夠達(dá)到200～300 m 的補(bǔ)償距離，與自然補(bǔ)償相比擁有高出8～10倍的補(bǔ)償能力[2]。因?yàn)樾D(zhuǎn)補(bǔ)償器的特有結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行蒸汽管道時(shí)不會(huì)有內(nèi)壓推力產(chǎn)生，在設(shè)計(jì)蒸汽管道結(jié)構(gòu)的過(guò)程中不需要對(duì)蒸汽管道產(chǎn)生的水平推力進(jìn)行考慮。與自然補(bǔ)償相比，能夠有效降低蒸汽管道當(dāng)量長(zhǎng)度的直線長(zhǎng)度，從而使材料使用量減少。通過(guò)相關(guān)分析可知，相比于使用自然補(bǔ)償方式的等級(jí)相同的管網(wǎng)相比，當(dāng)管網(wǎng)有效應(yīng)用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器后能夠降低20%～30%的一次性建設(shè)成本支出，特別是在蒸汽管道擁有 1.3 MPa 以上的設(shè)計(jì)壓力和 250 mm 以上的直徑時(shí)，其能夠擁有更為明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

1.3.2 提升運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益

因?yàn)樾D(zhuǎn)補(bǔ)償器只擁有較小的壓降，所以僅擁有約2%的管網(wǎng)熱損失，例如當(dāng)蒸汽管網(wǎng)的擁有 200 t/h 的供氣能力時(shí)，蒸汽損失與傳統(tǒng)的方式相比每年能夠減少約 90 kt。若是蒸汽的價(jià)格為150元/t，每年將能夠提升效益約1300萬(wàn)元。同時(shí)，因?yàn)榻档土藟航?，蒸汽抽汽端能夠降?～3 Mpa 的蒸汽輸送壓力損耗，能夠有效提升蒸汽的使用效率。在這種情況下長(zhǎng)期運(yùn)行，能夠?yàn)橄嚓P(guān)企業(yè)帶來(lái)較為理想的經(jīng)濟(jì)效益。

1.3.3 滿足長(zhǎng)距離輸送蒸汽的要求

因?yàn)閭鹘y(tǒng)的補(bǔ)償方式會(huì)降低壓力導(dǎo)致蒸汽只能夠達(dá)到3～6 km 的輸送距離，而在蒸汽管道中應(yīng)用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器能夠擁有 20 km 的蒸汽輸送半徑，并且不需要將小鍋爐建設(shè)在供熱半徑范圍內(nèi)，能夠使能源消耗有效降低，使排放量減少，從而發(fā)揮出節(jié)能減排的效果。

1.3.4 降低運(yùn)行成本

通過(guò)分析旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的實(shí)際應(yīng)用案例可知，相比于自然補(bǔ)償，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器當(dāng)擁有 300 t/h 的蒸汽輸送流量時(shí)，兩者擁有 0.95 MPa 的壓降差距;當(dāng)擁有 500 t/h 的蒸汽輸送流量時(shí)，兩者擁有 2.61 MPa 的壓降差距。若是完成向能耗方面的換算，結(jié)果為當(dāng)擁有 300 t/h 的蒸汽輸送流量時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的應(yīng)用能夠每小時(shí)降低 5 t 的標(biāo)煤使用量，如果以500元/t的煤價(jià)計(jì)算，每年能夠降低2000萬(wàn)元的運(yùn)行成本。同理，當(dāng)擁有 500 t/h 的蒸汽輸送流量時(shí)，每年能夠降低 147 kt 的標(biāo)煤使用量，每年能夠降低7350萬(wàn)元的運(yùn)行成本。

1.3.5 降低維護(hù)和保養(yǎng)難度

在正常情況下，相關(guān)人員都是使用柔性石墨作為旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的密封填料，而通過(guò)分析這些柔性石墨可知，其能夠達(dá)到工業(yè)精密和核級(jí)的級(jí)別，將其應(yīng)用于中壓蒸汽管道無(wú)須開(kāi)展維修工作，并且其擁有非常高的耐高溫性能[3]。在旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器中都會(huì)有檔環(huán)被焊在外套管內(nèi)部和內(nèi)套管內(nèi)部，并且還有能夠使摩擦力減少的滾珠被設(shè)置在這兩個(gè)檔環(huán)之間，通過(guò)這種方式能夠使密封填料在很大程度上免受內(nèi)套管磨損的影響。另外，與其他種類的補(bǔ)償器相比，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的補(bǔ)償能力相對(duì)較高，并且擁有非常長(zhǎng)的補(bǔ)償距離，能夠使建設(shè)中壓蒸汽管道的效率得到有效提升。

1.3.6 擁有較高的安全性能

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的自身結(jié)構(gòu)的剛性水平較高，能夠?qū)Ω鞣N外力作用起到很好的抵抗效果，在蒸汽管道中應(yīng)用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器，不需要考慮溫度、壓力等因素對(duì)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的影響，能夠?yàn)檎羝艿肋\(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性提供有效保障[4]。更加重要的是，在現(xiàn)階段較為完善的技術(shù)環(huán)境中，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器能夠使用徑向密封的密封形式，所以不會(huì)有軸向位移作用力產(chǎn)生，能夠提升旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器和蒸汽管道的使用壽命。

2 中壓蒸汽管道中旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的應(yīng)用

2.1 工程概況

該工程為100×104t/a 乙烯及配套項(xiàng)目，需要完成從熱電工程向煉油工程的蒸汽輸送，其中擁有中壓蒸汽管道2根。蒸汽管道為D610×26規(guī)格，使用高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管，為20G碳素鋼材質(zhì)。管道為 2398 m 總長(zhǎng)，4.2 MPa 的設(shè)計(jì)壓力，150～200 t/h 的輸送能力，450 ℃ 的設(shè)計(jì)溫度，在敷設(shè)的過(guò)程中采用架空的方式。

2.2 選用補(bǔ)償器

該工程中的中壓蒸汽管道，在熱電工程界區(qū)擁有以下送出條件：430 ℃ 的操作溫度，4.0 MPa 的操作壓力;煉油工程界區(qū)擁有以下接收條件：400 ℃ 的操作溫度，3.7 MPa 的操作壓力。0.3 MPa 的壓降為允許范圍。

2.2.1 方形補(bǔ)償器

方形補(bǔ)償器是蒸汽管道中較為常見(jiàn)的方式，其特點(diǎn)是擁有較高的安全性，在正常運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有維護(hù)需求，但是在擁有較大的管徑時(shí)也會(huì)擁有較大的占地面積。蒸汽擁有高達(dá) 450 ℃ 的設(shè)計(jì)溫度，若是在中壓蒸汽管道中應(yīng)用方形補(bǔ)償器，會(huì)擁有較短的補(bǔ)償距離，同時(shí)需要消耗大量的管材和彎頭，從而出現(xiàn)過(guò)大的壓降[5]。本次工程擁有 2398 m 的管道全長(zhǎng)，方形補(bǔ)償器間需要保持 60 m 的間距，共需設(shè)計(jì)方形補(bǔ)償器40個(gè)。方形補(bǔ)償器長(zhǎng)達(dá) 11 m 的外伸臂，若是每個(gè)補(bǔ)償器有彎頭4個(gè)，則共需使用彎頭160個(gè)，在充分考慮外伸臂影響的基礎(chǔ)上需要增加 880 m 的管道長(zhǎng)度。經(jīng)計(jì)算，在此中壓蒸汽管道中應(yīng)用方形補(bǔ)償器，管道壓降為 0.367 MPa 的，無(wú)法達(dá)到要求。

2.2.2 球形補(bǔ)償器

球形補(bǔ)償器最主要的特點(diǎn)就是擁有非常強(qiáng)的補(bǔ)償能力，其次是擁有較小的阻力、只需要占用較小的空間以及擁有可任意方向折曲的特性。如果應(yīng)用球形補(bǔ)償器，與本次工程的實(shí)際地形條件相結(jié)合需要安裝球形補(bǔ)償器12組，球形補(bǔ)償器有 7.5 m 長(zhǎng)的外伸臂，經(jīng)計(jì)算有 0.25 MPa 的壓降。若是僅對(duì)壓降進(jìn)行考慮，應(yīng)用球形補(bǔ)償器的方案是可行的，但是球形補(bǔ)償器有側(cè)向位移存在，有較大的發(fā)生泄漏幾率，需要支出較高的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，在中壓蒸汽管道中開(kāi)展補(bǔ)漏工作也有安全隱患存在。另外，與本工程相適宜的球形補(bǔ)償器需要從國(guó)外進(jìn)口，不但需要更高的成本支出，而且會(huì)存在非常長(zhǎng)的供貨周期。

2.2.3 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器

這種補(bǔ)償器屬于新型補(bǔ)償器，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器擁有很多種布置形式，下面將以旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器最常用的方形組合對(duì)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器工作原理進(jìn)行分析。圖2為方形組合補(bǔ)償形式的軸測(cè)圖和簡(jiǎn)化圖，其中2個(gè)長(zhǎng)半徑彎頭高度和旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器高度之和為h。借助長(zhǎng)度為L(zhǎng)的力臂和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器形成力偶，也就是擁有相反方向和相同大小的一對(duì)力，以z軸為中心力臂完成旋轉(zhuǎn)，能夠像杠桿一樣轉(zhuǎn)動(dòng)，支點(diǎn)都是在兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器上存在，能夠使力偶兩側(cè)直管段上出現(xiàn)的熱膨脹量得到有效吸收。

圖2 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器工作原理示意圖

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器最明顯的優(yōu)勢(shì)就是能夠在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)的情況下完成管道運(yùn)行。同時(shí)其還具有較長(zhǎng)的補(bǔ)償距離，每組旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器之間能夠保持200～500 m 的距離，同時(shí)也需要對(duì)具體實(shí)際地形情況進(jìn)行考慮;沒(méi)有內(nèi)壓推力存在;擁有較好的密封性能，因?yàn)槭褂昧藦较蛎芊獾拿芊庑问?，所以不?huì)有軸向位移出現(xiàn)，特別是耐高壓。

與本次工程的地形相結(jié)合，在工程全線需要使用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器11組，共需63個(gè)彎頭，經(jīng)計(jì)算其擁有 0.25 MPa 的壓降，能夠使用戶要求得到滿足。旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器不但只需要兩個(gè)月的供貨期，而且與球形補(bǔ)償器相比僅需要1/3采購(gòu)價(jià)格，所以最終決定使用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器。

2.3 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的應(yīng)用要點(diǎn)

2.3.1 工程布置要點(diǎn)

在本次工程中旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器采取如圖3所示的布置方式，在圖中固定支架用GJ表示，彈簧支架用THZJ表示，在開(kāi)始運(yùn)行管道時(shí)的熱脹方向用箭頭表示。與本次工程管廊自然走向相結(jié)合完成GJ1-GJ2、GJ14-GJ15的布置。GJ9-GJ10、GJ8-GJ9、GJ3-GJ4、GJ2-GJ3不改變管廊中心線，在固定點(diǎn)一側(cè)的方形組合補(bǔ)償形式中布置旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器。與工程地形相結(jié)合，GJ12-GJ13、GJ10-GJ11、GJ5-GJ6在兩固定點(diǎn)中間布置旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器，使方形組合式補(bǔ)償形成。與工程管道走向和地形走向相結(jié)合，在兩個(gè)方向位移吸收方面需要布置旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器3個(gè)。

圖3 工程中旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器布置

2.3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

當(dāng)在中壓蒸汽管道中需要完成長(zhǎng)距離補(bǔ)償時(shí)應(yīng)該對(duì)支架進(jìn)行合理設(shè)置;方形組合式補(bǔ)償因?yàn)橛袡M向擺動(dòng)存在，所以嚴(yán)禁將支架設(shè)置在其兩側(cè)一定距離內(nèi);密封材料的使用壽命會(huì)受到摩擦角的影響，當(dāng)中壓蒸汽管道擁有越大的管徑時(shí)就擁有越小的摩擦角;在實(shí)際工程建設(shè)中應(yīng)該控制2～6 m 的力偶臂長(zhǎng)度;補(bǔ)償器應(yīng)該合理完成預(yù)偏置工作，正常標(biāo)準(zhǔn)為1/2的補(bǔ)償量;因?yàn)榇嬖谳^長(zhǎng)的補(bǔ)償距離，出于使固定支架推力降低的目的，應(yīng)該盡量控制較小的摩擦系數(shù)，相關(guān)人員可以通過(guò)合理利用滾動(dòng)支座或其他減阻管座得以實(shí)現(xiàn);在旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器應(yīng)用過(guò)程中，相關(guān)人員可以與膨脹量和膨脹的具體方向相結(jié)合完成各個(gè)管托對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度的計(jì)算，并且在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上完成一定安全余量的增加，通過(guò)這種方式能夠使在運(yùn)行過(guò)程中無(wú)法在支架上有無(wú)法有效固定旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器管托的情況得到有效避免[6]。在完成管托長(zhǎng)度的計(jì)算后，應(yīng)該對(duì)管道位移會(huì)受到安裝溫度、環(huán)境溫度影響的情況進(jìn)行充分考慮，從而為穩(wěn)定運(yùn)行旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器提供保障。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，中壓蒸汽管道大多使用自然補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償形式，存在擁有較大管道阻力、需要較多的投資支出、有較高幾率出現(xiàn)疲勞和蠕變等問(wèn)題，會(huì)在一定程度上影響管網(wǎng)的運(yùn)行安全。在中壓蒸汽管道中應(yīng)用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器能夠減少溫降和壓降，提升管道末端透平機(jī)功率，使用的時(shí)間越長(zhǎng)其節(jié)能效果越顯著。