煤氣管道金屬波紋脹力變形現(xiàn)象分析與探討

1、*煤氣管道金屬波紋脹力變形現(xiàn)象分析與探討王津軻，郝強，郝玉強( 內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份燃氣廠，內(nèi)蒙古 包頭 014010)摘 要: 經(jīng)過分析研究新安裝的金屬波紋脹力變形情況，發(fā)現(xiàn)了造成此類問題的多種原因存在，通過制定相應(yīng)的預(yù)控、預(yù)壓等措施，消除了引起脹力變形的受力源，達到了今后新安裝管道波紋脹力，能夠?qū)崿F(xiàn)自由補償管道的伸縮 作用。關(guān)鍵詞: 波紋脹力; 變形; 故障; 分析; 探討中圖分類號: TQ547. 8 + 1文獻標識碼: B文章編號: 1009 5438( 2014) 03 0049 06DOI:10.13647/j ki.btgkj.2014.03.017The Phenomenon A

2、nalysis and Discussion of Deformation of Gas Pipeline Metal Bellow CompensatorWANG Jing ke，HAO Qiang，HAO Yu qiang( Gas Plant of Steel Union Co Ltd of Baotou Steel ( Group) Corp ，Baotou 014010，Nei Monggol，China)Abstract: During the installing process of Baotou Steel gas pipeline basis construction，me

3、tal bellow expansion forcemade several time critical deformation of expansion force And it made some efforts on project construction process and quality Because of the complexity and variety of the element for causing the fault，we should distinguish and recognize its nature so as to ensure no simila

4、r problems and safe operation for pipelinesKey words: bellow expansion force; deformation; fault;analysis; discussion在煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)中，作為管系自調(diào)補償核心的設(shè)施金屬波 紋 脹力，具有能滿足軸向伸縮、橫 向 位 移、角向位移補償?shù)男阅芗夹g(shù)特征，以補償管道系統(tǒng) 中，因溫差或地質(zhì)原因造成的管系相對位移或安裝 尺寸偏差，達到吸收管系內(nèi)部應(yīng)力的功效。在基建 施工中，若設(shè)計選型，安裝不合理、不規(guī)范，往往會給 施工進度及質(zhì)量帶來很大影響，更甚者，將給管網(wǎng)今 后的運行埋下極大安全隱患。有必要通

5、過嚴謹?shù)姆?析、探 討，搞清楚先前包鋼無縫 159 mm 天 然 氣的嚴重變形問題，才能為今后的管網(wǎng)基建提供更可靠的理論實 踐 經(jīng)驗，提高人員的故障分析、判 斷 能 力。金屬波紋脹力變形受力源分析普通軸向波紋脹力在管系中不應(yīng)是受力原件， 它只用來補償管系的熱脹冷縮因素引起的管道或設(shè) 備尺寸變化的位移。但往往在實際管道施工中，總 或多或少存在著一定程度的不規(guī)范行為，人為因素 造成了脹力一定的外機械力損壞，但一般情況，只要 在一定強度范圍內(nèi)，金屬波紋脹力都是可承受且可1500mm 管 道金屬波紋脹力及后來新體系 3 000 mm金屬波紋脹力，在打壓試驗中相繼出現(xiàn) * 收稿日期: 2014 03 1

6、0作者簡介: 王津軻( 1971 ) ，男，安徽省碭山縣人，碩士，高級工程師，現(xiàn)從事燃氣專業(yè)管理工作。圖 1金屬波紋脹力嚴重變形邏輯分析圖包鋼科技第 40 卷50自修復(fù)的，若違背施工準則，那將造成永久的作用損壞，不可挽回。從力的形成機理，可把波紋脹力的受 力源分幾類: 一類就是由管道冷熱變形產(chǎn)生的變形 推拉位移，是脹力所要發(fā)揮補償吸收功效所在的實 質(zhì)。這種位移作用力，通過脹力波的伸縮被吸收掉， 對脹力本身并無損害。當(dāng)然，這就要求設(shè)計安裝的 波紋脹力要在足夠能力的補償范圍內(nèi)。另外，一種 極具破壞性的力就是盲板力。實踐證明，只要是裝 設(shè)了膨脹節(jié)，內(nèi)盲板力在管系中就會產(chǎn)生強大的破 壞效應(yīng)。管道的端頭

7、、大于 15 的彎頭、還有閥門等截流設(shè)備、縮頸都會在有壓流體介質(zhì)狀態(tài)下產(chǎn)生內(nèi)盲板力。對管道來說，實際上也是一種外力作用，與管道自身熱脹冷縮推力有本質(zhì)區(qū)別。盲板力往往具有巨大的破壞作用，在管道試壓過程中，不僅僅是脹力受損，有時候甚至發(fā)生支架被推倒的重大施工安 全事故。再有一種力就是地質(zhì)變動，強風(fēng)等對整個 管系的作用力，對波紋脹力的影響往往通過管系的 附屬支架設(shè)施傳遞并消弱，而且能得到脹力的有效 吸收。任何金屬波紋脹力嚴重變形，都存在著其必 然因果，如何去科學(xué)邏輯判斷分析見圖 1。的承載能力，特別關(guān)鍵的環(huán)節(jié)作用是，在管內(nèi)有承壓介質(zhì)時，管道固定支架必須要承載克服巨大的內(nèi)盲 板作用力，將單位管段的變形

8、控制在一定的范圍內(nèi)，即控制波 紋 脹 力在其所能調(diào)節(jié)的補償范圍內(nèi)。否 則，任何波紋脹力都無法承受如此的內(nèi)盲板作用力， 而遭到破壞。2 2熱脹冷縮位移產(chǎn)生的推、拉應(yīng)力作用在兩固定支架間的波紋脹力，往往承受固定支架之間管段自由伸縮變形而受軸向位移推拉作用， 如若管道軸心不在一條直線上，波紋脹力還要承受 到角向力作用。表現(xiàn)為，脹力兩半壓縮、拉伸量不均 衡，甚至可出現(xiàn)一半壓縮、一半拉伸的異常變形。對 此，管網(wǎng)設(shè)計中，往往在兩固定支架之間設(shè)置的波紋2應(yīng)用分析2 1盲板作用力的應(yīng)對思路任何管系都存在內(nèi)盲板力作用，只要裝設(shè)了補 償脹力，它就會在壓力試驗當(dāng)中表現(xiàn)出來。目前對 于設(shè)計行業(yè)還沒達到徹底消除盲板力作

9、用的方案， 一般來說，目前普遍采取的措施大都為以固定支架 承載盲板力或通過反作用使盲板力相互抵消。管網(wǎng) 設(shè)計中，往往每隔相應(yīng)的距離，管系就設(shè)置一個固定 支架，用固定支架將一條管系分割成若干小的管段 單位，每單位管段中設(shè)置一個波紋膨脹節(jié)，吸收本管 段范圍內(nèi)的 熱 脹冷縮變化量，達到分段補償效果。 基于此，對于每個固定支架，必須要求得保證有一定圖 2隔斷盲板處置圖第 3 期煤氣管道金屬波紋脹力變形現(xiàn)象分析與探討51膨脹節(jié)的移動端，設(shè)直線導(dǎo)向滑動支架和平面導(dǎo)向滑動支架，以保障波紋膨脹節(jié)在軸向伸縮位移運動 過程中，不發(fā)生扭動或其他變形，消除角向位移對波 紋管脹力的角向推力作用。未建成前，就有可能體現(xiàn)出

10、管系問題來。分析如下幾點應(yīng)予注意:( 1) 安裝中不允許利用補償器的變 形，采取強 行壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)等方式，調(diào)整兩側(cè)焊接管道的位 置誤差。( 2) 兩固定支架間安裝脹 力，應(yīng)在管道固定支 架間將管段連接為一整體后，再在所要安裝脹力的 部位斷管焊接波紋脹力，以徹底消除本管段的應(yīng)力。( 3) 脹力的安裝必須考慮當(dāng)時、當(dāng)?shù)氐臏囟?，?理計算應(yīng)設(shè)置的預(yù)壓、預(yù)拉補償量，否則極端氣候條 件，脹力極易出現(xiàn)過壓、過拉伸的變形而損壞。( 4) 金屬波紋脹力安裝時，要避免與彎頭、縮徑 等臨近，必要時要裝設(shè)固定支架，將其隔離分開。5幾個特殊性問題分析5 1臨時盲板位置的設(shè)置在施工中經(jīng)常遇到部分管段單獨隔離打壓的情

11、 況，這就涉及如何合理選擇臨時隔斷盲板位置的問 題，否則，打壓過程將存在很大的安全危險性。這種 情況實踐證明，盲板一定要設(shè)置在有固定支架的管 段間，圖 2 中 M1 位置。切記避免把盲板設(shè)置在 管3管系支架的設(shè)置要求分析支架設(shè)置的合理與否，直接關(guān)系到管系的運行安全。設(shè)計施工必須按原則要求，嚴格進行。( 1) 每一個波紋膨脹節(jié)的補償管段范圍 內(nèi)，必須設(shè)置兩個固定支架1。( 2) 在彎頭改變流向處、直管段變徑處、支管連接主管處、兩個膨脹節(jié)中間閥門連接處、管道盲端均應(yīng)設(shè)置主固定支架或中間固定支架，在其管系兩端力完全對稱時，應(yīng)考慮到意外，其承載能力必須大于0. 75 0. 80 倍 的 彈 性 反 力

12、、壓 力推力與摩擦力之 和。( 3) 主固 定 支 架應(yīng)滿足工況條件下的內(nèi)壓推 力、彈性反力、管道滑動摩擦阻力及因風(fēng)載引起的其 他合力對固定支架的作用力。( 4) 中間固定支架應(yīng)能夠滿足工況條件下的彈 性反力、管道摩擦阻力、管道及管道內(nèi)因風(fēng)載引起的 其他合力對固定支架的作用力。( 5) 在管道涉及試壓的情況 時，應(yīng)對支架附加 要求有: 對裝有波紋膨脹節(jié)的自由端次固定支架 進行加固，保證管路不發(fā)生移動和轉(zhuǎn)動。中間次 固定支架按主固定支架的要求進行臨時加固。支 架、支座、管道必須嚴格焊接，固定焊死，否則影響承 載能力，造成內(nèi)壓作用破壞波紋脹力。試壓前適 當(dāng)加固波紋膨脹節(jié)上的輔助定位結(jié)構(gòu)與緊固件，有

13、 條件適當(dāng)增設(shè)臨時托架，增大承載力。4 重點環(huán)節(jié)問題分析波紋脹力在施工安裝中如果不當(dāng)，往往在管系段的 自 由 端 M2 處。否 則 對 3 脹 力 將 造 成 巨 大 破#壞。也就是說，在自由端沒有固定支架保護的波紋脹力，肯定要承受盲板力的直接作用。而且，距盲板力源最近的脹力必定受損程度最大。另外，固定支架與支座未與管道牢固焊接的相鄰脹力，盲板力也可經(jīng)管線傳導(dǎo)，而對其產(chǎn)生破壞力受損。體現(xiàn)在距 盲板作用力越近，脹力受損越嚴重。置1。此時，應(yīng)重點考慮的問 題，一是大型閥門一 定要坐落在大型固定支架上，二是閥門前后應(yīng)設(shè)置5 2管路中段涉及大型閥門時脹力設(shè)置的分析在管系中往往要涉及到裝設(shè)大型閥門等隔斷

14、裝具有軸向平衡作用式的脹力。圖 3 中 M1 、M2 。如此 側(cè) A 或 B 固定支架上去承 載，不至于作用在閥門 設(shè)計，盲板力就可以通過 M1 、M2 波紋脹力傳遞到兩 上，影響其功能。圖 3大型閥門位置圖5 3L 型管段的設(shè)計實踐分析盲板承載力作用，而且受力方向與脹力同軸心方向， 在 L 型管段中，某管路彎頭處設(shè)置的固定支架從而避免了 L2 中 M2 有可能承受角向力作用受損的B 有 L1 、L2 兩種形式，見圖 4，通過對 L1 型的更為 情況出現(xiàn)。合理性。固定支架 B1 兼顧了 AB1 、CB1 兩個方向的圖 4L 型管段固定支架位置圖系到脹力在極端氣候條件下，能否正常發(fā)揮夠功效6安裝

15、脹力預(yù)拉、預(yù)壓量的計算分析 的問題。當(dāng)然，在正常輸送介質(zhì)過程中，管道的溫差6 1管徑混設(shè)情況 變化不大，但往往在管道停運的情況下，若遇極溫情一般情況下，在同一管徑的管系中，其 盲 板 力 況，沒有設(shè)置足夠的脹力補償預(yù)量，那就很可能造成 的大小由其承載介質(zhì)的壓力與管道截面積決定。而 脹力的過壓、過拉伸損壞。實踐中，冬季施工應(yīng)考慮 實際中往往主管路、支路管徑大小各異，其產(chǎn)生的盲 當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁貢r的脹力最大拉伸量，夏季施工應(yīng)考 板力各有不同。因此，在安裝打壓過程中，就應(yīng)有區(qū) 慮當(dāng)?shù)刈罡邷貢r的最大脹力壓縮量。同時，還要兼 別對待。若整體打壓，對于較大脹力，應(yīng)考慮采取對 顧考慮管道運行介質(zhì)的平均溫度，盡可

16、能調(diào)整脹力 脹力進行適當(dāng)加固的措施，使保護拉桿與管道形成 的中間位置與此平均溫度相對應(yīng)最為宜。剛性連接2。6 2預(yù)調(diào)量設(shè)置的合理性 7典型實際案例分析探討脹力安裝前的預(yù)拉、預(yù)壓量的調(diào)整問題，是特別 ( 1) 在包鋼 159 mm 無縫 500 mm 天然氣管道 值得關(guān)注的，其預(yù)調(diào)量設(shè)置得是否科學(xué)合理，直接關(guān) 施工敷設(shè)中，有如下圖一段管道，存在不合理安裝問包鋼科技第 40 卷52圖 6環(huán)廠東路 M1 M0 管道圖圖 5跨 0# 公路天然氣管道圖第 3 期煤氣管道金屬波紋脹力變形現(xiàn)象分析與探討53題，最終在試壓過程中，出現(xiàn)了多個脹力發(fā)生嚴重變形問題的情況。廠內(nèi)跨 0# 公路的一段天然氣管道見圖 5

17、。在打壓檢查中，未能發(fā)現(xiàn)管道支架( 支座) 托盒與管道未焊牢情況 ，造成固定支架 A 失去了承載盲 板力的能力。波紋脹力 M1 與后面跨路管道的兩個 彎頭實際形成了，在固定支架 C 與 B 之間的兩種管 道補償?shù)墓泊娣绞剑@顯然有悖于設(shè)計理念: 在兩個 固定支架( 一個補償段) 之間只能安裝一 個 管 道 脹 節(jié)的原則。結(jié)果，在兩個不同種脹力下形成的盲板 力 117 750 N 應(yīng)力的作用下，將 M1 處金屬波紋脹力 損壞。管道兩處彎頭的管道托盒移位脫落。在事后 的處理過程中，切割去掉 M1 脹力后，A、B 間彎頭管 道甚至出現(xiàn)變形，無法恢復(fù)原位的現(xiàn)象。可見，固定 支架在失去承載能力后，C 與

18、 B 固定支架間的直管 段與兩彎頭彎管的盲板力幾乎完全作用在了金屬波 紋脹力上，使波紋脹力與彎管脹力都受到不同程度 的變形損毀。在打壓過程中，出現(xiàn)了 B 處固定支架管道托盒脫落，A 處 固 定 支 架 傾 斜 現(xiàn) 象，當(dāng) 時 試 壓 壓 力50 kPa，D 處通入氮氣，在自由端 E 點堵盲板。產(chǎn)生 盲板力 3 532 50 N。很顯然，在 B 支架托盒與托盒及管道未焊死的 情況下，B 固定支架已無法承載盲板推力能力，而 A 處固定支架 亦 出現(xiàn)承載力不 足，發(fā)生傾斜的情況。 致使盲板力通過自由端位移時發(fā)生作用，繼而引發(fā) M1 、M2 、M3 三個脹力承受盲 板 力 作 用，不 同 程 度 出

19、現(xiàn)了損壞特征。事后，將固定支架 A、B 加固，管道 切斷，將脹力拆卸復(fù)位后重新試壓，再未出現(xiàn)以上問 題。( 3) 關(guān)于新體系 3 000 mm 高煤管道冬、夏不 同季節(jié)施工，管道脹力應(yīng)采取的預(yù)拉量、預(yù)壓量調(diào)整的分析計算，( 脹力的選擇按管道的熱變形計算參 數(shù)) 。關(guān)于 3 000 mm 高煤管道兩固定支架間150 m長管道，應(yīng)安裝軸向脹力的最小補償量計算:管道膨脹量 X膨 計算式: X膨 = aLT 管道式中: a 線膨脹系數(shù) 0. 0 133 mm / m;L 補償管線長度( 固定支架距離) ，m;T 為 溫 差 ( 介 質(zhì) 溫 度 安 裝 時 環(huán) 境 溫 度) 介質(zhì)溫度高煤 60 。( 2

20、 ) 新 體 系 環(huán) 廠 東 路，M7 M0 支 架 間3 000 mm 高煤管道的金屬波紋脹力試壓損壞分 析。環(huán)廠東路 M7 M0 天然氣管道 500 mm 見圖 6。夏天: X膨59. 85 mm冬天: X膨79. 8 mm 150 ( 60 30) =0 0 133 150 ( 15 + 25) =0 0 133補償 量 計 算 式: X補( Tg Td) = X1 /2 ( Ta Td ) /式中: X 補償器的補償量，mm;Ta 管道安裝溫度， ;Td 管道最低溫度， ;Tg 管道運行時的最高溫度， 。包鋼科技第 40 卷54當(dāng)管道 Tg Ta ，預(yù)拉量為正，應(yīng)將補償器預(yù)拉伸，對于管道 Tg Ta ，預(yù)拉量為負，應(yīng)將補償器預(yù)壓縮。冬 天 : X補= 79 8 1 /2 ( 20 + 25) /( 60 + 25) = 35 2 mm由以上計算分析，新體系 3 000 mm 高煤管道 兩固定支架 間 按 150 m 管 道 長 計 算，若 冬、夏 季 安 裝，則應(yīng)分別考慮的預(yù)壓、預(yù)拉情況見表 1:夏天: X補= 59 85 1 /2 ( 30 + 25) / ( 60 +25) = 8 8 mm表 1 3 000 mm 高煤管道 150 m 距離測算值施工溫度 / 管道膨脹量 / mm補償量 / mm安裝距離 / mm夏季 30冬