沥青运输船热力管道补偿设计

乐成刚，王业高

(中国葛洲坝集团机械船舶有限公司，湖北宜昌443007)

沥青运输船在装卸和运输沥青过程中，由于沥青特殊的物理性能，要求液货工作温度最高可达200℃，加热导热油最高达260℃。在此温差下，管道将产生强大的热膨胀应力，由此产生的作用力将通过管道系统传递到固定支架和相关连的设备上，对设备以及管道的安全运行构成一定的威胁。因此，沥青的液货系统和热油加热系统管道在进行工艺设计和安装时，为使管道在热胀或者冷缩状态下稳定和安全，减小管路热胀冷缩时产生的应力，对管路受热时的热伸长量必须进行有效补偿。

1 管道热膨胀量及热应力

1.1 管道的热膨胀量计算

热力管道安装完毕、投入运行后，由于管道本身的工作介质温度较高，热膨胀量较大。两端无固定约束的直段钢管，受热后的膨胀伸长量按下式计算:

式中:ΔL为管段的热伸长量，mm;L为管段长度，m; α为管材的线膨胀系数，即温度每升高1℃每米管子的伸长量，mm/(m·℃)，其中碳钢管热膨胀系数α一般为0.012 mm/(m·℃);Δt为计算温差，即管道受热时所升高的温度，它等于管道输送介质的最高温度t2与管道安装时的环境温度t1之差，℃。

1.2 管道的热应力计算

在管道两端都固定的情况下，管子不能自由伸长。由于工作温度的影响迫使它产生热伸长时，在管子内部就会产生附加的热应力σ，应力的大小按下式计算:

在此状态下，管道的轴向推力为:F=σA

式中:σ为管道受热时所发生的应力，MPa;E为管材的弹性模量，MPa;ε为管道的相对变形量，它等于管道的热膨胀量ΔL与管道原长L之比;F为轴向推力，N;A为管子横断面积，mm2。

由此可见，管道受热时所产生的应力的大小，与管子直径及管壁厚度无关。它是由管子材料的弹性模量、线收缩系数和管道受热时温差决定的。在这三个要素中，温差是影响热应力的最主要要素。而热应力作用于固定端的轴向推力，与管道材质、管壁截面积和温度变化有关，而与管路的长度无关。

对于两端固定的直管，其热膨胀必须予以吸收(补偿)，否则热应力对固定点的推力将使管线、固定点、设备以及接管的相关部分受到破坏。如在工作温升为200℃时，Φ219 mm×13 mm的20号无缝钢管液货管在直段两端固定情况下，热膨胀伸长量ΔL=αLΔt=2.4 mm，其中α=0.012 mm/(m·℃)，L=1 m，Δt=200℃。热应力σ=10－3EαΔt=432 MPa，其中E=1.8×105MPa。由此可以看出，管子附加热应力已远超出许用应力值。此时，管道已经产生屈服并且处于不安全状态。管子外径D=219 mm，内径d=193 mm，则截面积A=8.41×103mm2，作用到固定点的推力F=σA=3.63×106N。如此大的推力是任何设备或者支架都无法承受的。

2 管道常用的热补偿形式及选用

为了吸收和消除管道所产生的热应力，在热力管道系统生产设计中，必须考虑管道的热补偿，从而使管道具有足够的弹性，以满足设备或支架的受力要求。沥青运输船液货系统和热油系统管道热补偿方式一般有自然补偿、矩形补偿器补偿和膨胀节补偿三种主要方式。

2.1 自然补偿

在对热力管道进行热补偿设计时，应优先考虑利用局部弯曲来对管道进行自然补偿。补偿的方法常用的有L型直角弯补偿和Z形折角弯补偿法。弯角的大小影响补偿的效果。一般当弯管转角小于150°时，使用自然补偿;大于150°时，不能使用自然补偿。自然补偿的管道臂长不应超过20～30 m，弯曲应力不应超过[δ]=80 MPa。通过采用合理的弯臂长度，使管道具有足够的弹性，以满足补偿要求。

L形直角弯的补偿如图1所示。对于两端固定的L形直角弯自然补偿管段[1]，长臂长度一般不超过20～25 m，其短臂长度L短一般按下式计算:

式中:L短为短臂长度，m;△L为长臂L的热伸长量，mm;D为管道外径，mm。

图1 L形直角弯自然补偿

Z形折角弯自然补偿如图2所示。Z形折角弯自然补偿管段是由2个平衡臂和垂直臂组成，两平衡臂之和一般不大于40～50 m，垂直臂约占总长的1/2～1/4长度，其垂直臂长度L垂一般按下式计算:

式中:L垂为垂直臂长度，m;△t为计算温差，℃;K等于L1/L2，其中L1为长臂长度，L2为短臂长度;[δbw]为弯曲许用应力，MPa。

图2 Z形折角弯自然补偿

2.2 矩形补偿器补偿

矩形补偿器如图3所示。矩形补偿器是热力管道设计中最常用的一种补偿器，它是由4个90°弯头组成，常用的有4种类型矩形补偿器的自由臂(导向支架至补偿器外伸臂的距离)一般为40倍公称通径的长度。选择方形补偿器前，首先根据两固定端内直管段长度L和管段温升Δt，按公式ΔL= αLΔt计算管道的热膨胀长度(即补偿能力)，再根据热膨胀长度和管径，确定补偿器的形式，一般选用2型、3型。方形补偿器的补偿性能见表1，表1中ΔL是按安装时冷拉ΔL/2计算的。矩形补偿器安装时一般必须进行预拉伸(紧缩)，预拉伸(紧缩)量为补偿值的一半。

图3 矩形补偿器

图3中，B为水平向外伸臂总长;b为水平向外伸臂直管长;H为垂向外伸臂总长;a为垂向外伸臂直管长;R为管道弯曲半径，通常为1.5～3倍管路公称通径。1型:b=2a;2型:b=a;3型:b=0.5a;4型:b=0。

方型补偿器用弯头拼接时，水平臂中间处不准有焊缝，如无法防止焊缝，则应尽量接近弯头两侧。由于2根垂直臂中部弯曲应力最小，因此拼接焊缝最好设置在短臂中部。

2.3 波形膨胀节补偿

在一些变形与位移量大而空间位置受到限制的管道，波形膨胀节是主要热补偿的选择方式。波形补偿器主要有轴向补偿型和横向补偿型。对于多数情况下，一般选用轴向补偿型。在液货系统中，由于沥青介质的高粘性，为降低波形膨胀节对管道的阻力降和湍流程度，膨胀节内设有双向导流套，方便液体的双向流动。

3 沥青运输船热力管道补偿设计

3.1 补偿设计的一般原则

沥青运输船热力管道在布置时，首先应充分利用管路本身自然弯曲来补偿管道的热伸长量。常用的有L形直角弯、Z字形折角弯和矩形补偿器。根据伸缩量，计算并设置合适的短臂长度。选用矩形补偿器在安装时采用预拉伸，拉伸量为热伸长量的50%。波形补偿器常用于变形与位移大而空间受限制的管路。

根据本船管路的特点，热油管由于管径小，一般采用自然补偿和方形补偿器方式。在布置热油伴热管时，由于伴热管与液货管温差不同，伴热管在经过液货管法兰处制成矩形补偿器，补偿伸长量不同产生的管路变形。货油管路管径大，一般采用波形补偿器。对于甲板上及一般舱室内的货油管，主要是管路轴向上的热变形，所以选用轴向波形补偿器进行补偿。安装时应对波形补偿器预拉伸50%的拉伸量。

表1 矩形补偿器选择表

3.2 管道支架布置设计

支架的合理设置对管道的热补偿同样重要。管道支架的布置除能支撑固定管路外，还必须能处理管路热膨胀引起的位移。合理布置固定支架和滑动支架的位置，利用管道自身的弯曲或膨胀节，使管路保持适当的弹性，以便吸收管线的位移量。支架的不正确设置，在某种程度上可造成载荷从一个支架到另一个支架或支架到管线载荷的反传递。

热力管道支架一般分为固定支架和滑动支架两种。固定支架本身横向和纵向变形很小，管道与其固定，不能发生相对位移，是整个管道系统稳定的保证。滑动支架可以与管道有相对位移，管道对管架的作用力主要为摩擦力。固定支架和滑动支架一般均采用U型螺栓支架，区别是螺栓的安装位置不同，滑动支架与固定支架安装图如4所示。滑动支架采用两边带螺母的U型螺栓，安装时只需压紧管子不发出因振动而引起响声即可，保证管道能膨胀延伸。为了减小滑动支架对管道的摩擦力，在支架上还可以设置聚四氟乙烯垫板。这是由于聚四氟乙烯支架滑动摩擦系数在0.10以下，而钢板之间滑动摩擦系数为0.30。

支架布置应以通舱件、分段对接处、单元组装连接处和管系附件安装处为固定支架起点。对液货管和导热油加热管等伸缩量较大的热力管道，在其伸缩段不应设置固定支架。对于采用自然补偿和矩形补偿器方式进行热补偿的管道，最小短臂范围内一般不应布置管支架，避免限制管道的膨胀位移。对于有支管的管道，支管的支架尽可能设置在主管的附近，且应选择在不影响主管伸缩的地方。在每个独立的膨胀段，不得设置2个或2个以上的膨胀节及其他补偿元件。当安装2个以上膨胀节时，应设置中间固定支架，固定支架必须具有足够的强度。

图4 固定支架和滑动支架

对于轴向补偿波形膨胀节的安装，固定支架应靠近膨胀节。当管道通径小于300 mm时，滑动支架的位置可按图5和下列公式推荐位置安装;当通径大于等于350 mm时，第2滑动支架位置由14 D减小为

式中:Lmax为最大滑动支架间距，m;J为管道的惯性距，m4;P为工作压力，Pa;F为膨胀节有效截面积，m2;Kn为膨胀节轴向刚度，N/cm;X为膨胀节轴向总的补偿量，cm，受压缩用－号，受拉伸用+号。

图5 轴向补偿膨胀节支架设置

3.3 独立液舱管道补偿设计

在沥青运输船热力管道补偿设计中，连接独立货舱的热力管道是本船补偿设计的重点。由于液货舱为独特结构，其热变形及热位移是由多方因素产生，既有液货舱的自身位移，又有液货舱的空间3个方向热膨胀伸缩，还有管道本身的热膨胀伸缩。在设计补偿方式时，需分析各方因素的综合影响。

每个独立货舱保温温度为200℃，温度的变化使货舱可以自由膨胀。为使独立货舱高温下的膨胀向预定方向伸展，在船体液舱区底部中心线每个横向强框架上下位置分别设置防横摇装置，这些装置可以阻止独立液舱膨胀后的横向滑移;另在每个液舱底部中心线中部处各设置一个防纵向位移装置，可以阻止独立液舱中心纵向滑移。防摇限位装置可限制液舱中心横向位移为±4 mm，纵向位置为±5 mm。

该船在隔离空舱区域连接独立液舱的管道，由于隔离空舱位置小，热补偿尤其重要。首先，为满足液舱空间3向热膨胀要求，采用具有轴向和横向补偿功能的TB型波形膨胀节。为提高膨胀节内的伴热效果，还可选用具有双层波纹结构的TB膨胀节，这种膨胀节内层通液货，外层通导热油。然而隔离空舱空间有限，限制了膨胀节的长度，使得这种膨胀节轴向和横向补偿仍然有限。为达到所要求的补偿要求，采取了下列措施:(1)将原液货隔离阀由截止阀改为蝶阀，缩短阀的长度，将膨胀节的长度由300 mm增到550 mm;(2)将膨胀节标准8波改为10波，进一步提高膨胀节的轴向和横向补偿量;(3)在布置位置上，将膨胀节尽可能靠向船中和液舱底部布置，减小独立液舱与船体相对膨胀位移，也就减小了横向补偿要求;(4)补偿器安装时，根据计算的膨胀量，对膨胀节在轴向和横向上进行50%膨胀量的反向预补偿。这一系列措施，有效地控制了管路的热应力，提高了补偿器的使用寿命和安全性能。为了方便工作人员检查，在空舱内膨胀节处专门设置检修平台。同时还在空舱内设置温度传感器，为货油和热油提供泄漏报警信号，实现远程监测。

4 结语

沥青运输船与一般船舶管路热膨胀控制技术不同，针对该船的特殊性，结合各系统的特点，对不同系统、不同区域、不同膨胀量要求的液货、热油系统管路，分别采用不同的方式对热膨胀进行补偿控制，并结合支架的合理选择和设置，提高了高温系统运行的可靠性、安全性，同时也大大延长了波形膨胀器的使用寿命，降低了维修成本。

[1] 顾顺符，潘秉勤.管道安装工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社，1987.