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1、 基于自然补偿的化工管道设计探讨 林立江(广东寰球广业工程有限公司，广东 广州 510655)化工管道在工业生产中具有重要作用。化工管道，作为关键的运输载体，为各类燃料、燃气等资源的稳定供应提供了保障。化工管道受限于自身材质，不可避免地会因为外界温度的变化，出现膨胀收缩的情况，管道尺寸也会随着时间推移，逐渐与设计要求产生较大差异。在未能及时对变化的尺寸进行补偿修复的情况下，管道将会在极大应力的作用下出现断裂、破损等情况，导致资源运输中断。将自然补偿应用到化工管道设计过程中，则可以有效改善这一问题，提升燃料相关资源的运输稳定性。1 化工管道设计概述化工管道组成主要为阀门、管件和管道本体。在运输燃
2、料等资源的过程中，管道将会承受重力、压力、地震、位移、机械振动、冲击等各种载荷，其中，压力和重力以及位移载荷中热胀冷缩是管道的主要应力来源。设计人员通常选择对管壁厚度进行调整、提升管道承重能力，以及设置导向支架等方式，避免化工管道承受的外力载荷超出限制1。针对热胀冷缩问题，设计人员重点需要对管道介质的温度情况、管道布置走向、管道厚度等方面进行优化设计，但是优化设计工作较为复杂，而柔性设计中的自然补偿法，具有较高应用效果，同时设计应用也较为简单，是化工管道设计应用的重点方向。2 自然补偿与补偿器在化工管道应用中的对比在化工管道设计过程中，设计人员通常会为管道设置数量众多的管道支架以及各类连接设备
3、。在这种情况下，化工管道的热胀冷缩将会受到限制。根据线膨胀量计算公式，管道热胀冷缩量与温度变量、膨胀系数，以及管道长度有关。在伸缩受限的情况下，温度应力将会作用于管道相关部件，引发管道破裂等事故发生，而自然补偿这类柔性设计方法，能够有效缓解管道温度应力的影响，提升设备的可靠性2。一般而言，设计人员需要在布置工艺优化设计之前做好热应力管道的设计工作。在这一过程中，需要对管道应力进行计算分析，并通过对比标准数值与应力数值的方式，选择相应的热补偿措施，确保管道在运行环境中始终稳定可靠。常用的热补偿方式为补偿器补偿以及自然补偿。补偿器通常为膨胀补偿器，该设备安装于膨胀变换量较高的化工管道处。常用的类型
4、主要为型、球型、套管、波纹等各类补偿器3。在实际应用时，型补偿器适用于各类压力管道，具有可靠、简单、成本低等优势；球型补偿器以及套管补偿器在应用过程中容易因填料松弛问题导致内部运输材料泄漏问题，该类补偿器禁止在有毒可燃类介质管道中应用；波纹补偿器具有占地小且补偿性能优越等特点，但存在成本高、难制造等缺点，多用于直径大、压力低的管道。在应用时自然补偿方法，设计人员需要结合管道走向进行各种形状的弯曲改造工作。管道在自然弯曲形状的支持下能够对端点位移以及热膨胀位移等情况进行有效补偿。这种设计方法具有成本低、可靠度高、结构简单且易实现等优势，适用于各类化工管道的热补偿设计工作。3 自然补偿法在化工管道
5、设计中的应用补偿法是化工管道设计的重点内容。如前文所述，自然补偿比补偿器在成本和性能方面都更具优势，在实际应用时，设计人员需要充分考虑所设计管道的具体情况，结合实际合理应用自然补偿设计方法。针对 100 mm 管径的化工管道，若管道运输过程中出现温度低于 -20 或者高于 230 的情况，设计人员需要对该类管道进行补偿优化。相对而言，该类管道在运行过程中承受的温度应力较大。在温度超出2023 时，管道自身将无法承受热胀冷缩受阻产生的温度应力，而自然补偿法可以有效缓解这一问题。针对管径尺寸不低于 150 mm 的化工管道，其运输温度的范围较 100 mm 管径的化工管道有所缩减。当温度超出 12
6、0 且管道与空冷器存在连接情况时，设计人员则需要合理应用自然补偿法对管道进行优化设计，以避免连接空冷器的材料因热胀冷缩导致管道受损乃至断裂4。对于与压力容器连接的化工管道以及具有 150 mm 以上管廊直径的化工管道，设计人员需要针对性地采取自然补偿措施。在运输过程中，若管道与压力容器的连接部位未进行补偿处理，则大量应力可以因热胀冷缩的作用集中在管口部位，因此设计人员需要结合管道运行风险点，对设备以及各机械部件进行结构优化，规避应力对管道可靠性的影响。无论是针对何种对象，设计人员都需要在掌握各类自然补偿方法的基础上做好柔性分析计算工作，确保自然补偿方法与所设计管道相互匹配，提升管道运输过程的可
7、靠性。4 化工管道设计中自然补偿法的应用要点自然补偿通常可以通过设置不同弯头的方式来实现。现阶段，常用的补偿方法主要有L形直角弯补偿法、Z型折角弯补偿法，以及形弯补偿法。4.1 L形直角弯自然补偿设计L形直角弯是化工管道自然补偿设计的一种应用类型。设计人员通过L形状的弯头与管道连接，起到补偿所连接管道位移的作用，对缓解管道热胀冷缩等问题具有积极作用。L型弯头的短臂长度是设计人员需要重点计算分析的内容，其长度与长臂的热伸长量L以及管道外径Dw数值有关，计算公式为1.1*(L*Dw/300)1/2。为了确保L形弯头短臂长度的计算准确性，设计人员需要充分考虑自支架、固定架或二臂导向架开始管道受热变形
8、情况，确保所计算热伸长量的准确性，避免在后续管道运行期间出现L形直角弯无法满足管道补偿量的情况。4.2 Z形折角弯自然补偿设计Z形折角弯比L形弯头多了1处弯头(如图1所示)，具有更优异的自然补偿效果，其弯头尺寸的计算难度较之L形弯头更高。Z形折角弯的短臂长度与两根管(L2与L1)的热伸长量L、管道的弹性模量E、管道外径Dw以及弯曲应力bw有关，计算公式为L=6LEDw/107bw(1+1.2n)1/2。其中，n的数值与L2以及L1有关，为(L2+L1)/L1。Z形折角弯能够对两个方向的位移应力进行补偿：垂直臂可以对水平臂的变形应力进行补偿，水平臂反之；而且随着臂长的增加，自然补偿的效果也随之增
9、加。图1 Z形折角弯自然补偿示意图(L2L1)4.3 形弯自然补偿设计形补偿多用于位移量较大、对补偿量要求较高的化工管道，其内部弯头通常为4个或6个，此类自然补偿多用于立体空间布置的化工管道结构中，避免大量弯头对其他管道的稳定性造成影响。5 在化工管道设计中自然补偿的优化策略5.1 改善化工管道自身弹性度化工管道设计人员需要通过自然补偿的方式对管道因外热胀冷缩产生的位移量进行补偿。在应用这一方法的同时也需要重视对管道自身材质、结构的改善，尽可能增强管道自身弹性度以强化自然补偿的效果5。调查表明，管道的尺寸、弹性模量、形状等参数对其弹性度的大小具有一定影响，这需要设计人员结合实际需求做好相关仿真
10、模拟工作。在满足运输性能及成本需求的情况下，对管道的弹性度相关参数进行优化设计，确保所安装管道在后续运营过程中平稳可靠。一般而言，平面管系可以通过对远离固定点连线方向的管道长度进行延长处理，从而提升管道的弹性；空间管系可以通过对远离端点连线方向的管道长度进行延长处理，从而提升管道的弹性。5.2 适当增加管道支架以强化自然补偿的应用效果现阶段，大多数化工管道在应用自然补偿管道的同时也积极采取加装管道支架的方式强化补充效果，多举措并行以提升运输管道的运行可靠度。在管道铺设过程中，施工企业通常会通过合理布设弹性支架与固定支架的方式，对管道的位移量进行限制，将原本极长的管道化作一段段较短的管道，从而将
11、管道所承受的热应力分散到局部，避免出现自然补偿无法满足管道位移需求的情况。针对支架装设工作，设计人员通常需要通过计算确定管道各点承受的应力情况，在施工图纸中标注适宜安装支架的最大应力点位，从而进一步强化支架的应力分散效果，避免后续出现支架断裂、管道补偿无法满足位移需求的情况。在选择支架固定点位的过程中，设计人员需要明确适宜的点位，以对自然补偿效果起到促进作用。固定点的选取，需要基于对管道多方向位移进行限制、承受冲击载荷、承受振动载荷的目的进行合理选择；同时也需要考虑固定支架安装后管道滑动产生的摩擦力，避免出现支架弯折等问题；还需要尽可能避免分支管系出现较大的变形位移量。对于型补偿，设计人员需要
12、将其设置于支架中间区域，以避免该补偿装置与支架间距低于两支架间距的1/3。5.3 改变设备布置在设计阶段，设计人员通常需要通过研究自然补偿设计方案的方式解决化工管道的应力超标问题。在自然补偿效果难以满足管道运输需求的情况下，工作人员需要积极利用变更管道走向、装设支架等方式缓解自然补偿压力，若依旧无法满足运行需求，则需要采取改变管道布置的方式确保管道的运行可靠性。5.4 在设计中采用自然补偿需要考虑的其他因素在应用自然补偿设计方法时，设计人员需要注意避免影响管道对称布置等基本工艺要求，注意结合实际情况对支架机械能合理布置，以此来强化自然补偿的效果；自然补偿的同时也需要考虑其他专业工作及配管设计等
13、可能受到的影响，做好最优方案的模拟仿真和相关计算工作；设计人员需要结合建设成本等因素合理应用自然补偿法，避免因滥用自然补偿导致化工管道整体出现失稳情况；不同管系的受力情况有所不同，设计人员需要考虑两相流管系、振动管系等不同管道类型对自然补偿效果的影响，避免因此出现管道振动加剧等情况。6 结语化工管道承担着各行业流体的运输任务，其结构性能的可靠性关系到运输过程是否平稳有序，对相关行业的安全平稳发展具有重要意义。针对化工管道运行过程中承受的各种应力，如热胀冷缩带来的位移应力、振动载荷、重力及压力载荷等，管道设计人员需要合理应用自然补偿手段，通过L形直角弯、形弯、Z形折角弯等各种形式的结构，补偿管道所承受的应力。在具体应用过程中，设计人员也需要综合考虑多方面的因素，做好各类自然补偿弯头尺寸的计算工作，同时应采取支架安装、改善管道弹性、优化布置等方式强化补偿效果，以确保化工管道的可靠运行。 -全文完-
