沥青运输船热力管道补偿设计.pdf

第28卷第4期
江苏船舶
Vol 28 No 4
2011年08月
LANGSU SHIP
Aug.2011
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)
摘要:简要论述了管道热补偿的基本原理,着重介绍了沥青运输船液货系统和热油系统管路热补偿的设计方
法,对其他类型船舶的热力管道补偿设计和安装有借鉴作用。
关键词:沥青运输船;管道;补偿设计;热应力;膨胀节;支架
中图分类号:U664.8
文献标识码:B
沥青运输船在装卸和运输沥青过程中,由于沥
在此状态下,管道的轴向推力为:F=
青特殊的物理性能,要求液货工作温度最高可达式中:o为管道受热时所发生的应力,MPa;E为管
200℃,加热导热油最高达260℃。在此温差下,管材的弹性模量,MPa;s为管道的相对变形量,它等
道将产生强大的热膨胀应力,由此产生的作用力将于管道的热膨胀量AL与管道原长L之比;F为轴向
通过管道系统传递到固定支架和相关连的设备上,推力,N;A为管子横断面积,mm2
对设备以及管道的安全运行构成一定的威胁。因
由此可见,管道受热时所产生的应力的大小,与
此,沥青的液货系统和热油加热系统管道在进行工管子直径及管壁厚度无关。它是由管子材料的弹性
艺设计和安装时,为使管道在热胀或者冷缩状态下模量、线收缩系数和管道受热时温差决定的。在这
稳定和安全,减小管路热胀冷缩时产生的应力,对管三个要素中,温差是影响热应力的最主要要素。而
路受热时的热伸长量必须进行有效补偿。
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。
1管道热膨胀量及热应力
对于炳端固定的直管,其热膨胀必须予以吸收
1.1管道的热膨胀量计算
(补偿),否则热应力对固定点的推力将使管线、固
热力管道安装完毕、投入运行后,由于管道本身定点、设备以及接管的相关部分受到破坏。如在工
的工作介质温度较高,热膨胀量较大。两端无固定作温升为200℃时,5219mmx13mm的20号无缝
约東的直段钢管,受热后的膨胀伸长量按下式计算:钢管液货管在直段两端固定情况下,热膨胀伸长量
△L=aIAt=aL(2-t1)
△L=IAt=2.4mm,其中a=0.012mm/(m?℃),
式中:△L为管段的热伸长量,m;L为管段长度,m;L=1m,At=200℃。热应力=10-Eat=432
a为管材的线膨胀系数,即温度每升高1℃每米管MPa,其中E=1,8×10°MPa。由此可以看出,管子
子的伸长量,mm/(m?℃),其中碳钢管热膨胀系数附加热应力已远超出许用应力值。此时,管道已经
a一般为0.012m/(m?℃);A为计算温差,即管产生屈服并且处于不安全状态。管子外径D=219
道受热时所升高的温度,它等于管道输送介质的最mm,内径d=193mm,则截面积A=8.41x10mmn,
高温度2与管道安装时的环境温度1之差,℃。
作用到固定点的推力F=oA=3.63x10°N。如此
1.2管道的热应力计算
大的推力是任何设备或者支架都无法承受的。
在管道两端都固定的情况下,管子不能自由伸2管道常用的热补像形式及选用
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o,应力的大小按
为了吸收和消除管道所产生的热应力,在热力
下式计算
管道系统生产设计中,必须考虑管道的热补偿,从而
0=Ee=10"EAL/L =10" Eaat
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
收稿日期:2011-06-18
方式一般有自然补偿、矩形补偿器补偿和膨胀节补
作者简介:乐成(1973-),男,工程师,研究方向船舶动力管系エ程。偿三种主要方式。
第4期
乐成刚等:沥青运输船热力管道补偿设计
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2.1自然补偿
称通径的长度。选择方形补偿器前,首先根据两固
在对热力管道进行热补偿设计时,应优先考虑定端内直管段长度L和管段温升△t,按公式△L=
利用局部弯曲来对管道进行自然补偿。补偿的方法LAt计算管道的热膨胀长度(即补偿能力),再根据
常用的有工型直角弯补偿和Z形折角弯补偿法。热膨胀长度和管径,确定补偿器的形式,一般选用2
弯角的大小影响补偿的效果。一般当弯管转角小于型、3型。方形补偿器的补偿性能见表1,表1中△L
150°时,使用自然补偿;大于150°时,不能使用自然是按安装时冷拉△L2计算的。矩形补偿器安装时
补偿。自然补偿的管道臂长不应超过20~30m,弯一般必须进行预拉伸(紧缩),预拉伸(紧缩)量为补
曲应力不应超过[8]=80MPa。通过采用合理的弯偿值的一半。
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,长臂长度一般不超
过20~25m,其短臂长度L短一般按下式计算:
ALD
短
式中:L知为短臂长度,m;△L为长臂L的热伸长量,
图3矩形补偿器
mm;D为管道外径,m。
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,如无法防止焊鏠,则应尽量接近弯头两。
由于2根垂直臂中部弯曲应力最小,因此拼接焊缝
图1工形直角弯自然补偿
最好设置在短臂中部。
Z形折角弯自然补偿如图2所示。Z形折角弯2.3波形膨胀节补偿
自然补偿管段是由2个平衡臂和垂直臂组成,两平
在一些变形与位移量大而空间位置受到限制的
衡臂之和一般不大于40~50m,垂直臂约占总长的
管道,波形膨胀节是主要热补偿的选择方式。波形
1/2~1/4长度,其垂直臂长度垂一般按下式计算:
补偿器主要有轴向补偿型和横向补偿型。对于多数
6ATED
情况下,一般选用轴向补偿型。在液货系统中,由于
10[o](1+1.2K)
沥青介质的高粘性,为降低波形膨胀节对管道的阻
式中:L为垂直臂长度,m;△为计算温差,C;K
力降和湍流程度,膨胀节内设有双向导流套,方便液
等于L1/2,其中L1为长臂长度,2为短臂长度;体的双向流动。
δ]为弯曲许用应力,MPa
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
图2乙形折角弯自然补偿
补偿器在安裝时采用预拉伸,拉伸量为热伸长量的
2.2矩形补偿器补偿
50%。波形补偿器常用于变形与位移大而空间受限
矩形补偿器如图3所示。矩形补偿器是热力管制的管路。
道设计中最常用的一种补偿器,它是由4个90°弯
根据本船管路的特点,热油管由于管径小,一般
头组成,常用的有4种类型矩形补偿器的自由臂采用自然补偿和方形