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(qiáng)，郝玉強(qiáng)( 內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份燃?xì)鈴S，內(nèi)蒙古 包頭 014010)摘 要: 經(jīng)過(guò)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(wèn)題的多種原因存在，通過(guò)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(dá)到了今后新安裝管道波紋脹力，能夠?qū)崿F(xiàn)自由補(bǔ)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(hào): TQ547. 8 + 1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B文章編號(hào): 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(bǔ)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(bǔ)償?shù)男阅芗夹g(shù)特征，以補(bǔ)償管道系統(tǒng) 中，因溫差或地質(zhì)原因造成的管系相對(duì)位移或安裝 尺寸偏差，達(dá)到吸收管系內(nèi)部應(yīng)力的功效。在基建 施工中，若設(shè)計(jì)選型，安裝不合理、不規(guī)范，往往會(huì)給 施工進(jìn)度及質(zhì)量帶來(lái)很大影響，更甚者，將給管網(wǎng)今 后的運(yùn)行埋下極大安全隱患。有必要通

5、過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆?析、探 討，搞清楚先前包鋼無(wú)縫 159 mm 天 然 氣的嚴(yán)重變形問(wèn)題，才能為今后的管網(wǎng)基建提供更可靠的理論實(shí) 踐 經(jīng)驗(yàn)，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(lái)補(bǔ)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(shí)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(jī)械力損壞，但一般情況，只要 在一定強(qiáng)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(lái)新體系 3 000 mm金屬波紋脹力，在打壓試驗(yàn)中相繼出現(xiàn) * 收稿日期: 2014 03 1

6、0作者簡(jiǎn)介: 王津軻( 1971 ) ，男，安徽省碭山縣人，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事燃?xì)鈱I(yè)管理工作。圖 1金屬波紋脹力嚴(yán)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(zhǔn)則，那將造成永久的作用損壞，不可挽回。從力的形成機(jī)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(bǔ)償吸收功效所在的實(shí) 質(zhì)。這種位移作用力，通過(guò)脹力波的伸縮被吸收掉， 對(duì)脹力本身并無(wú)損害。當(dāng)然，這就要求設(shè)計(jì)安裝的 波紋脹力要在足夠能力的補(bǔ)償范圍內(nèi)。另外，一種 極具破壞性的力就是盲板力。實(shí)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(huì)產(chǎn)生強(qiáng)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(huì)在有壓流體介質(zhì)狀態(tài)下產(chǎn)生內(nèi)盲板力。對(duì)管道來(lái)說(shuō)，實(shí)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(guò)程中，不僅僅是脹力受損，有時(shí)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(dòng)，強(qiáng)風(fēng)等對(duì)整個(gè) 管系的作用力，對(duì)波紋脹力的影響往往通過(guò)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(yán)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(jiàn)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(shí)，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(bǔ)償范圍內(nèi)。否 則，任何波紋脹力都無(wú)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(duì) 此，管網(wǎng)設(shè)計(jì)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(duì)思路任何管系都存在內(nèi)盲板力作用，只要裝設(shè)了補(bǔ) 償脹力，它就會(huì)在壓力試驗(yàn)當(dāng)中表現(xiàn)出來(lái)。目前對(duì) 于設(shè)計(jì)行業(yè)還沒(méi)達(dá)到徹底消除盲板力作

9、用的方案， 一般來(lái)說(shuō)，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(guò)反作用使盲板力相互抵消。管網(wǎng) 設(shè)計(jì)中，往往每隔相應(yīng)的距離，管系就設(shè)置一個(gè)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(gè)波紋膨脹節(jié)，吸收本管 段范圍內(nèi)的 熱 脹冷縮變化量，達(dá)到分段補(bǔ)償效果。 基于此，對(duì)于每個(gè)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(dòng)端，設(shè)直線導(dǎo)向滑動(dòng)支架和平面導(dǎo)向滑動(dòng)支架，以保障波紋膨脹節(jié)在軸向伸縮位移運(yùn)動(dòng) 過(guò)程中，不發(fā)生扭動(dòng)或其他變形，消除角向位移對(duì)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(wèn)題來(lái)。分析如下幾點(diǎn)應(yīng)予注意:( 1) 安裝中不允許利用補(bǔ)償器的變 形，采取強(qiáng) 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(shí)、當(dāng)?shù)氐臏囟?，?理計(jì)算應(yīng)設(shè)置的預(yù)壓、預(yù)拉補(bǔ)償量，否則極端氣候條 件，脹力極易出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)拉伸的變形而損壞。( 4) 金屬波紋脹力安裝時(shí)，要避免與彎頭、縮徑 等臨近，必要時(shí)要裝設(shè)固定支架，將其隔離分開(kāi)。5幾個(gè)特殊性問(wèn)題分析5 1臨時(shí)盲板位置的設(shè)置在施工中經(jīng)常遇到部分管段單獨(dú)隔離打壓的情

11、 況，這就涉及如何合理選擇臨時(shí)隔斷盲板位置的問(wèn) 題，否則，打壓過(guò)程將存在很大的安全危險(xiǎn)性。這種 情況實(shí)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(yùn)行安全。設(shè)計(jì)施工必須按原則要求，嚴(yán)格進(jìn)行。( 1) 每一個(gè)波紋膨脹節(jié)的補(bǔ)償管段范圍 內(nèi)，必須設(shè)置兩個(gè)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(gè)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(duì)稱時(shí)，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(dòng)摩擦阻力及因風(fēng)載引起的其 他合力對(duì)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(duì)固定支架的作用力。( 5) 在管道涉及試壓的情況 時(shí)，應(yīng)對(duì)支架附加 要求有: 對(duì)裝有波紋膨脹節(jié)的自由端次固定支架 進(jìn)行加固，保證管路不發(fā)生移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。中間次 固定支架按主固定支架的要求進(jìn)行臨時(shí)加固。支 架、支座、管道必須嚴(yán)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(shí)托架，增大承載力。4 重點(diǎn)環(huán)節(jié)問(wèn)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(duì) 3 脹 力 將 造 成 巨 大 破#壞。也就是說(shuō)，在自由端沒(méi)有固定支架保護(hù)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(duì)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(yán)重。置1。此時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮的問(wèn) 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(shí)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(jì)，盲板力就可以通過(guò) 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(jì)實(shí)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(jiàn)圖 4，通過(guò)對(duì) 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(gè)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(jì)算分析 的問(wèn)題。當(dāng)然，在正常輸送介質(zhì)過(guò)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(yùn)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(méi)有設(shè)置足夠的脹力補(bǔ)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(guò)壓、過(guò)拉伸損壞。實(shí)踐中，冬季施工應(yīng)考慮 實(shí)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(shí)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(guò)程中，就應(yīng)有區(qū) 慮當(dāng)?shù)刈罡邷貢r(shí)的最大脹力壓縮量。同時(shí)，還要兼 別對(duì)待。若整體打壓，對(duì)于較大脹力，應(yīng)考慮采取對(duì) 顧考慮管道運(yùn)行介質(zhì)的平均溫度，盡可

16、能調(diào)整脹力 脹力進(jìn)行適當(dāng)加固的措施，使保護(hù)拉桿與管道形成 的中間位置與此平均溫度相對(duì)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(shí)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(wèn)題，是特別 ( 1) 在包鋼 159 mm 無(wú)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(wèn)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(guò)程中，出現(xiàn)了多個(gè)脹力發(fā)生嚴(yán)重變形問(wèn)題的情況。廠內(nèi)跨 0# 公路的一段天然氣管道見(jiàn)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(gè) 彎頭實(shí)際形成了，在固定支架 C 與 B 之間的兩種管 道補(bǔ)償?shù)墓泊娣绞?，這顯然有悖于設(shè)計(jì)理念: 在兩個(gè) 固定支架( 一個(gè)補(bǔ)償段) 之間只能安裝一 個(gè) 管 道 脹 節(jié)的原則。結(jié)果，在兩個(gè)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(guò)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(wú)法恢復(fù)原位的現(xiàn)象?？梢?jiàn)，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(guò)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(shí) 試 壓 壓 力50 kPa，D 處通入氮?dú)?，在自由?E 點(diǎn)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(wú)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(guò)自由端位移時(shí)發(fā)生作用，繼而引發(fā) M1 、M2 、M3 三個(gè)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(wèn) 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(jì)算，( 脹力的選擇按管道的熱變形計(jì)算參 數(shù)) 。關(guān)于 3 000 mm 高煤管道兩固定支架間150 m長(zhǎng)管道，應(yīng)安裝軸向脹力的最小補(bǔ)償量計(jì)算:管道膨脹量 X膨 計(jì)算式: X膨 = aLT 管道式中: a 線膨脹系數(shù) 0. 0 133 mm / m;L 補(bǔ)償管線長(zhǎng)度( 固定支架距離) ，m;T 為 溫 差 ( 介 質(zhì) 溫 度 安 裝 時(shí) 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(jiàn)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(bǔ)償 量 計(jì) 算 式: X補(bǔ)( Tg Td) = X1 /2 ( Ta Td ) /式中: X 補(bǔ)償器的補(bǔ)償量，mm;Ta 管道安裝溫度， ;Td 管道最低溫度， ;Tg 管道運(yùn)行時(shí)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(bǔ)償器預(yù)拉伸，對(duì)于管道 Tg Ta ，預(yù)拉量為負(fù)，應(yīng)將補(bǔ)償器預(yù)壓縮。冬 天 : X補(bǔ)= 79 8 1 /2 ( 20 + 25) /( 60 + 25) = 35 2 mm由以上計(jì)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(zhǎng) 計(jì) 算，若 冬、夏 季 安 裝，則應(yīng)分別考慮的預(yù)壓、預(yù)拉情況見(jiàn)表 1:夏天: X補(bǔ)= 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(cè)算值施工溫度 / 管道膨脹量 / mm補(bǔ)償量 / mm安裝距離 / mm夏季 30冬