长距离输送蒸汽管道应力补偿方式的选择

臧金金

中化二建集团有限公司 山西太原 030021

在化工设计中，管道设计起着举足轻重的作用，其设计水平直接关系到项目的建设投资和建成投产后能否长期、高效、平稳的运行。在管道设计中，会用到各种管道材料，大部分是钢材等金属材料。金属材料会随着温度的变化而产生热位移，而根据热位移的计算公式[1]可知，管道的热位移与管道的长度和温度成正比。

管道柔性是反映管道形变难易程度的一个物理概念，表示管道通过自身形变吸收热胀冷缩和其他位移形变的能力。在外管设计中，管道一般都有很长的直管段，从而产生较大的伸缩量。为了维持管道系统在运行过程中的稳定和安全，需要通过适当的柔性设计，将管道的位移和管道应力控制在一定范围之内。一般采用以下一种或几种措施来增加管道的柔性[2]：改变管道的走向；选用各种补偿器，如π 形补偿器、波纹补偿器和旋转补偿器等；调整支吊架的位置和形式。

1 管道设计中常用的热补偿方式

当将管道两头固定后，由于热胀冷缩管道会有一个热变形的趋势，从而对固定点产生推力（或拉力）。这种力属于二次应力，当其超过一定的值后，会造成管道连接部位发生泄漏，甚至由于金属疲劳引起管道破坏等。因此，在实际配管过程中，需要想办法将二次应力控制在一定范围之内，以保证管道运行的安全[2]。减小二次应力的方法就是增大管道的柔性。一般通过自然补偿和增设补偿器的方法来增加管道的柔性。

1.1 自然补偿

管道的自然补偿就是管道走向按照具体的情况呈各种弯曲形状，利用这种自然的弯曲形状所具有的柔性补偿管道自身的热膨胀和端点位移。自然补偿的特点是构造简单、运行可靠、投资少。在自然补偿中，常见的是L 形直角弯自然补偿和Z 形折弯自然补偿。

一般来说，增加管道自然补偿能力的方法有以下几种：改变管道的走向，以增加整个管道的柔性；调整支吊架的形式与位置；改变设备的布置。

1.2 补偿器补偿

在通过应力计算后，若发现自然补偿无法满足管道热补偿要求，必须增设补偿器来对管道进行热补偿。常用的补偿器有三种，即π 形补偿器、波纹补偿器和旋转补偿器[3-4]。其中，π 形补偿器是在管道设计中最常见的一种补偿器，波纹补偿器主要用于焦炉煤气等低压大口径管道，旋转补偿器主要用于蒸汽管道的热补偿。

1.2.1 π 形补偿器

π 形补偿器又称为π 弯、方形补偿器，是管道设计中最常用的补偿器形式。一般有平面式π 形补偿器和立体式π 形补偿器两种形式。

一般来说，两固定点之间设置成立体式π 形补偿比平面式π 形补偿器的补偿能力要好，而且不影响管廊上其他管道的走向。π 形补偿器甩出去的臂长可以通过应力计算手册查阅得到，也可以通过应力计算分析得到。

1.2.2 波纹补偿器

波纹补偿器是用3～4mm 厚的金属薄片制成，利用金属的本身弹性伸缩来吸收管线的热膨胀。波纹补偿器的优点是是体积小、结构严密。由于结构原因，这种补偿器的补偿能力有限，且仅用在内压小于0.7MPa 的管道上。在设计中，波纹补偿器多用于焦炉煤气等大口径的低压或常压管道中。

1.2.3 旋转补偿器

旋转补偿器即通过成双旋转筒和力臂形成力偶，使大小相等、方向相反的一对力由力臂回绕着轴中心旋转，以吸收力偶两边热管边产生的热胀量。由于其补偿量大，可用于蒸汽管道的热补偿。旋转补偿器都是成对出现的。图1 为常见的两种旋转补偿器布置方式，图2 为新疆某煤制天然气项目现场使用旋转补偿器的蒸汽管线，图中画圈部分是一组旋转补偿器。

图2 新疆某煤制天然气项目采用旋转补偿器的蒸汽管线

2 长距离输送蒸汽管道补偿方式的选用

新疆某污水处理场项目，自总体院锅炉房产出的高压蒸汽，经减温减压后，送至污水处理场的氨回收和酚回收装置。汽量为190t/ h。与总体院接点位置处蒸汽的操作压力为3.7MPa，操作温度为280℃，用汽点氨回收装置要求蒸汽品质为不低于3.4MPa 的饱和蒸汽（243℃）。用汽点距离总体院接点位置直线距离850m 左右。

2.1 管径的选择

对于1M～4MPa 的饱和蒸汽，经济流速为20～40m/ s，选定流速为30m/ s。对于3.7MPa、280℃的蒸汽，其密度为16.9kg/ m3。计算所需管径，见式（1）。

由式（1）的计算结果，初选管径为DN400 适宜。

2.2 补偿器的选择

对于这种长距离输送的蒸汽管道，采用常规自然补偿无法通过应力校核，必须增设补偿器。对于化工项目，常规做法是增设π 弯。由于本项目来汽点和用汽点距离较远，且中间没有别的用户。因此，考虑采用旋转补偿器进行热补偿。为此，对该管系采用两种补偿方式进行比较。

2.2.1 π 型补偿器的设置

该污水处理场项目，中压蒸汽沿着管廊从A 点输送到E 点（用汽点），其中A—B 段长120m，B—C 段470m，C—D 段104m，D—E 段147m。整个场地高差很小，只有1.5～2m 的3 个台阶高差。设置立体型π 形补偿器，需每40～50m 做1 组补偿器，每组补偿器补偿能力为130～150mm 的热伸缩量。每个π 弯的立管高2.5m，伸出去的长臂长度约为7m。补偿器之间的固定点设置四方限位支架，其余均采用滑动支架，滑动支架底板长度450mm。每组补偿器之间的低点需设置疏水，排出运行时蒸汽管网中的凝结水。

经计算，在A—B 段需做3 组补偿器；B—C 段做9组补偿器；C—D 段做2 组补偿器；D—E 段做3 组补偿器，一共需要17 组补偿器。每组π 型补偿器需6 个弯头、19m 直管段，17 组补偿器共需102 个弯头、323m 直管段。计算整条管线，一共需要弯头115 个、直管段1265m。

2.2.2 旋转补偿器的设置

若用旋转补偿器，按图1 中型式一的布置方式，每100m 左右设置1 组旋转补偿器，每组补偿器的补偿量为300mm 左右。每组补偿器需4 个弯头，立管2.5m 高，中间水平直管段5m，单个补偿器需直管段10m。补偿器在安装时，可以通过对补偿器预偏装，增大实际补偿量。补偿器之间的固定点设置四方限位支架，其余均采用滑动支架。由于旋转补偿器的补偿量大，靠近补偿器处的滑动支架底板长度应根据实际位移进行加长和偏装。根据计算，本项目最长的滑动管托长度为800mm。每组补偿器之间的低点设置疏水，由于中间水平管道较长，疏水量比π弯低点疏水量大，大约为π 弯疏水阀计算疏水量的2 倍。

根据布置，旋转补偿器需在B 点处加一组补偿器；B—C 处做三组补偿器；D 处做一组补偿器；D—E 处做一组补偿器，共6 组补偿器。6 组补偿器共需24 个弯头，60m 直管段。整条管线需要直管段1002m，弯头39 个。

2.2.3 对比分析

本项目经询价，每个旋转补偿器价格为16000 元，弯头价格约1100 元，每米管道长度约900 元。综合评价，π型补偿器和旋转补偿器的对比结果见表1。

表1 π 形补偿器与旋转补偿器对比表

（1）使用传统π 弯作为补偿器，整个管线造价约为126.5 万元；选用旋转补偿后，整个管线造价约为113.7万元，整体投资费更低。

（2）DN400 的弯头，计算阻力降时，当量长度为6.1m。经软件计算，并考虑10%的不可预见阻力和安全系数，使用π 型补偿器的方案，管道阻力降为379kPa；使用旋转补偿器的方案，管道阻力降为233kPa，管线的压降损失减小了57.2%（以旋转补偿器方案为基数）。

（3）按照π 型补偿器，用汽点处压力为3.33MPa，无法满足用汽点压力要求。因此，最终选择用旋转补偿器作为蒸汽管道热补偿方式。

（4）若用增加管径的方式来减小压降损失，会造成整个项目的投资费增加。同时，管径的增加，会增加管道与周围环境的接触面积，散热量增大，温降增大，会造成运行费用增加、能源的浪费。

2.2.4 旋转补偿器设置时的注意事项

（1）在设计前，需根据介质特性、温度、压力选用合适的旋转补偿器。补偿器最好选用锻造的，以保证质量。

（2）在布管时应先布置带旋转补偿器的管线。因在设置旋转补偿器的位置管道走向会有变化，所以在管道布置时需先布置该管道，以满足应力计算要求。

（3）管托应使用带衬四氟垫板的管托，以减少管道与管廊间的摩擦力；靠近补偿器的位置不可设置导向管托限制管道侧向位移；管托长度需根据管道热位移计算，防止管托由于位移量过大从横梁上掉下。

（4）为了增加补偿器补偿能力、减少管道侧向位移，在安装旋转补偿器时应向管道热位移的反方向进行一定的预偏装。

（5）对于长距离输送的蒸汽管道，如果管架上只有这一根蒸汽管道，可以按图3 所示进行布置，这样整条线路总体在一条直线上，更加美观。

图3 单根蒸汽管道的旋转补偿器布置方式

（6）实际运行时，需定期检查旋转补偿器的填料圈，防止发生泄漏事故。

3 结论

管道设计中，满足应力设计要求必不可少。而减小介质输送过程中的能量损失，也是必须考虑的。对于长距离输送的蒸汽管道，选用旋转补偿器是一种很好的补偿方式，可以在满足柔性设计的前提下，同时减小管系的阻力降，满足用户使用要求。但需注意，选用旋转补偿器必须对靠近补偿器的滑动管托长度加长和预偏装，防止运行时管道热膨胀，以致将管托推到管架梁下。