管道设计中出现热拱现象的原因及对策

Ａｕｇ．２０１７　・　化肥设计　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｆｏｒｔｉｌｉｚｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　第５５卷第４期　３６　・　２（）ｌ　７年８月　管道设计中出现热拱现象的原因及对策　刘　丹　（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陕西西安　７１００７５）　摘　要：热拱不仅使管道产生弯曲位移，而且能产生相当大的热应力，弯曲位移与热应力都会给管道带来极大的潜　在危险。本文介绍了几种热拱的工程实例及处理方法；在工程上要尽量避免产生热拱，以保证管道的安全。　关键词：热拱；工程实例；处理方法　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４—８９０１．２０１７．０４．０１０　中图分类号：ＴＱＯ５５．８１　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００４　８９０１（２０１７）０４—００３６—０３　Ｒｅａｓｏｎｓ　ａｎｄ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｂｌｏｗｉｎｇ　ｉｎ　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ＬＩＵ　Ｄａｎ　Ｌｔｄ．，Ｘｉ’“¨ＢＴ＇ａ￣ｃｈ，Ｘ　’Ｈ＂Ｓｈａａｎｘ　ｚ　７１Ｏ０７５，Ｃｋ　”“）　Ａｂｓｔｒａｃ！：Ｔｈｅｒｍａｌ　ｂｌｏｗｉｎｇ　ｄｏｅｓｎ’ｔ　ｏｎｌｙ　ｌｅａｄ　ｔｏ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｐｒｏｄｕｃｅｓ　ｇｒｅａｔ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓ．Ｂｅｎｄｉｎｇ　ｄｉｓｐｌａｅｅｍｅｎ　ａｎｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｒｅ　ｒｉｓｋｙ　ｆｏｒ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｒｅａｌ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｎｇ　ｃａｓｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｂｌｏｗｉｎｇ　ａｎｄ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ．Ｉｎ　ｒｅａ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ，ｔｈｅｒｍａｌ　ｂｌｏｗｉｎｇ　ｓｈａｌｌ　ｂｅ　ａｖｏｉｄｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍａｌ　ｂｌｏｗｉｎｇ；ｒｅａｌ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｎｇ　ｃａｓｅｓ；ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４—８９０１．２０１７．０４．０１０　热拱现象在运送导弹推进剂、装载航天飞机燃　料的低温管道系统、液化天然气（ＬＮＧ）的管道系统　。中都存在。在管道应力分析中，通常认为的温度是　介质通过管截面时的均温，但是在很多情况下，管　道横截面上温度的分布是不均匀的。发生在水平　管道上，且上表面的温度高于下表面的温度时，管　道同一个段上下部的热膨胀是不同的，就产生了热　拱现象。热拱不仅使管道产生相当大的热应力，也　Ｉ　Ｌ　　／＂，　．　｜　一　能产生相当大的弯曲位移，热应力与弯曲位移会给　管道带来极大的潜在危险，如果不能妥善解决，会　导致该部分管道上支架失效及材料的疲劳破坏，造　成法兰泄漏等危险情况。　图１　热拱公式图解　管道的公称直径（ｍｍ）；Ｋ为温度修正因子；Ｔ　为　管道上表面温度（℃）；Ｔ　为管道下表面温度（℃）；ａ　ｌ　热拱的概念公式　如图１所示，通过公式＿１］：　Ｒ—Ｄ／［　（Ｔ　一Ｔ　）］　可算出管道上拱时的弯曲半径，进而计算出管　道的弯曲横向位移ｙ：　Ｙ—Ｒ—ｒＲ　一（Ｌ／２）　］　坨　为平均线膨胀系数［１０　ｒａｍ／（ｍｍ・℃）］；Ｙ为管　道的弯曲横向位移（ｒａｍ）。　以上公式是分析热拱的概念性公式，在实际的　管道中，还要综合考虑管道约束及自重抑制等凶素　的影响。在管道应力分析软件中，给出了针对热拱　作者简介：刘丹（１９８２年　），女，辽宁营ｕ人，２００６年毕业于河南科　技大学化学工程与工艺专业，工程师，现主要从事管道应力计算　工作。　式中，Ｒ为管道上拱时的弯曲半径（ｍｍ）；Ｄ为　第ｌ期　刘　』　Ｊ。　管道没汁ｌｆｌ…现热拱小象的　及对策　・　３７　・　这一状态下应力分析的温度值的需求。通常，设汁　人员也通过实际的测定值或者经验值对热拱的大　概状态进行判断，进行市｝｛应的力、力矩及应力的　核算。　２产生热拱的实例　热拱发生存许多地方，只是有的热拱现象不明　，对整个工程没有产生很大的影响，未引起足够　。但足许多热拱的ｆ｛Ｉ现会对管道本身或支撑　结构等带来意想不到的危害，应尽量避免发生，如　有发，　需要进行一些必耍的处理。才能使管道系　统处丁安全状态。下面列…了一些热拱现象及对　其进行的经验处理。　２．１　不均匀的热辐射引起热拱　图２转化炉管结构　暴露存阳光下的管道。内部流体不能充分流　动，传热效果不允分使得管道的受热不均匀。存这　种情况下．管道的＿Ｉ　表面与下表面产　了温差．当　这个温差达到一定程度．就产生了热拱。这种现象　会　致支撑架脱空、局部支架　受力过大而受损，　或　对与其连接的设备管口产生破坏．如大口径不　图３下集气管的热拱　保温的空管道或者低流速管道。＿在这种情况下，需　在此管道上涂白色反射漆来减弱管道对热辐射的　吸收能力．进而避免热拱的发生。　准要求考虑其导向支架的没管．还要考虑　热拱带　来的横向位移的『六ｌ素，适当没置导向支架的问趴．　及支架的约束　求。且这种情况下的迎风　和背　风而的温度值很难确定，只能给…柑对保守的经验　存制氢装置巾．当应川　琴管式的转化炉炉型　时．其下集气管就会产生上拱的现象。同内多个采　Ｈｊｔ　琴管式转化炉的制氢装置巾，都Ⅲ现了下集气　管上拱的情况．比女ＪＪ海南炼化制氢装置、大连西太　平洋制氖装置等。ｍ　ｒ这种炉型本身的结构特点　（　２）．炉管的温度高，在不均匀的热辐射下。下　值，如果想得到更靠近实际的模　，需对实际情况　进行数据实测．然后复佥模型。需要说明的是．以　上的要求仅仅存似设衬里材料足均匀的前提下提　的，而　实际的情况巾．往往【太１为施Ｔ水平、自然　环境等原　。也会使分析的结果存在偏差．就要求　设计人员在分析巾充分考虑这些影响『大Ｊ素．以使分　析更加安全可靠。某一项日的气化炉的模　４．陔气化炉总长约６０ｍ。外径０．９ｍ，内衬耐火浇注　集气管道Ｊ－部的温度高于下部，阵加上外界环境、　温度及通风效果的影响。当其上下表面达到一定温　差时，就产生了热拱（见　３）。长期如此将导致管　鼙破裂，造成高温高　富氢气体泄漏．甚至遇明火　引起爆炸．仔存暇大安全隐患。　抑制这种情况下　的热拱．需尽量加大炉底通风散热来减小上下表而　的温雄．或行设置有效的支架来抑制上拱。罔内某　料，外壁设计温度２６０￣Ｃ、。　这个模型巾，　直管段　的温差设置为３８℃，此温差根据　与地自然环境下的　ＪｘＬ速、最高频风向及相对保守的经验值来确定，不　同地　温　值是不同的，根据模　汁算的结果调整　导向支架的位置及导向的间距。僻出卡Ｈ应的支架受　力及设备管口受力，使得整体模　的冷热态持续应　力值满足要求．设备管口满足要求，以此汁算结果　为依据来确保实际丁　程的安全　１『靠。　巾１、２、３、　装　应』“ｒ弹簧限位架来抑制上拱，将弹簧限位架　安装　转化炉底部横梁和下集气管之问，抑制上拱　效　著　。　另外。存大口径、长距离的衬里管道中，受外界　风载的影响。造成迎风面的管道外壁温度低、背风　面的管道外壁温度商．也会出现热拱情况。这就要　¨【、５、８、１０处为导向支架，导向问隙均为０，每个导　向架在热拱　况下均有水平摊力存在．以４点为例　求设汁人员在管道应力分析中。不但要按照常规标　调取的计箅结果　表ｌ。　・　３８　・　表ｌ节点－Ｉ在各个工况下的受力值　化肥设计　２Ｏ１　７年第５５卷　拱现象或者减小热拱的幅度，在预冷时采取了适当　控制温差及加强支架等措施。预冷时要逐步降低　温度，严格控制预冷速率，避免急冷、骤冷．一般预　重力工况　冷控制在８～１（）℃／ｈ以内，管道温差小于５Ｏ℃．避　免阀门和法兰连接面　为冷收缩不均引起泄漏。　鹪　∞　９　ｎ　Ｌ＼　１　８　１　热载工况（正常操作）　执工况（热拱）　风载（北向）　有文献提到将Ｉ　ＮＧ管道的上下温差控制在２２℃以　内∞］，２２℃产生的热胀差可通过管道的自重克服，　风载（东向）　０　Ｏ　０　Ｏ　０　Ｏ　０　但实际温差往往会远超出２２℃。因此．在进行管道　应力分析时，可以适当考虑这２２℃温差的余量对温　差值进行整合确定。　地震工况（北）　地震工况（东）　∞　¨　１　４　２．３石化装置中的热拱　５■，　在石化装置中．南于一些不当的操作及控制，　１Ｏ　高温的碳氢化合物很容易结焦。一般情况下，管壁　温度与内部介质温度是基本一致的，但一旦结焦积　累在水平管道的底部，结焦的绝热性能会使水平管　道的底部温度大大降低，远远低于未结焦部分。就　产生热拱现象。为了避免这种现象的发生。一定要　严格执行操作控制规程。　３结语　对工程中出现的热拱情况要高度重视。深度分　析其产生的原因，采取措施进行抑制。并对抑制热　拱的方式方法进行探索和研究，以有效抑制、避免　或消除由热拱带来的破坏．保证管道及设备系统的　图４某装置气化炉结构图　安全，保障装置的安全生产。　参考文献：　２．２管道内部介质停滞导致热拱　比如，在液化天然气管道（ＬＮＧ）系统的预冷调　［１　ＡＳＭＥ　Ｏｒｄｅｒ　Ｎｏ．８０２８５４．Ｐｅｎｇ　Ｐｉｐｅ　Ｓｔ　ｒｅｓｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［ｓｊ．　［２］王永峰．消除竖琴转化炉Ｆ集气管热变形的方法［Ｍ］．北京：化　肥一ｒ：业出版社．２０１６．　试过程中，当低温液氮进入到常温的管道中，在未　充满管的情况下，管道的上下表面就会产生较大温　［３］Ｖｅｎｅｎｄａａｌ，Ｂ．Ｄｒｙｏｕｔ．Ｃｏｏｌｄｏｗｎ　Ｋｅｙｅｄ　Ｃｏｘ　ｅ　Ｐｏｉｎｔ　ｃ０ｍｍｉｓｓｉ０ｎｉｎｇ［Ｊ］．Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ａｎｄ　Ｇａｓ　Ｊｏｕｎ１｝ｉｌ．１　９７９，２Ｏ６（７）：　２８—３８．　差，形成热拱。设计者很早就意识到以上问题，因　此，在开工过程中制定了很多有效的计划来避免热　收稿日期：２０ｌ卜０卜【］６　■雹圜　安特威助力明化集团洁净煤气化项目顺利开车　２０１７年７月２７日，山东明化集团采．ｆ＿｝ｊ清净煤气化技术实现企业转型升级项目启动开车程序，气化炉主燃烧喷嘴一次点　火成功并产　合格产品。明化集团洁净煤气化项目总投资近２８亿元，陔项目于２０ｌ　５年初开工建设．２０１６年底建设完成．目　前已实现了全线顺控连锁全部投用稳定运行。　作为装髓的阀门供应商，苏州安特威阀门有限公司在该项目的公开招标中．成功拿到项目的２４臼双盘阀、９台滑板阀的　供货合同．该装置中的煤粉锁斗　、煤粉锁斗平衡阀均采用安特威的双盘阀。安特威用事实证明了所供产品的安全性和可靠　性。赢得了客户的赞誉。　（本刊通讯贫）