分析化工管道设计中常用的自然补偿法研究

分析化工管道设计中常用的自然补偿法研究

赵江红

中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林设计院管道室吉林省吉林市130002

摘要：文章主要针对化工管道设计中常用的自然补偿法进行研究，首先概述了自然补偿法，其次介绍了优化管道自然补偿涉及，再次分析了自然补偿法的计算方法，最后总结了化工管道自然补偿能力的提高方法，目的是进一步优化化工管道设计，确保化工管道质量。

关键词：化工管道、布置设计、支撑结构、自然补偿法、近似验算

化工管道在运行过程中，出现热胀和端点位移现象在所难免，其对管道本身的耐久度不会产生较大影响但是热胀引起的温度应力可能会威胁管道系统的稳定性，如不加以控制将会对管道的正常运行造成影响，引起相连接设备故障甚至造成严重的安全事故。现阶段在管道设计中，设计人员常常利用自然补偿法消除管道热胀和端点位移造成的不利影响，提高管道系统稳定性。

1.自然补偿法概述

在化工生产中，管道往往受到一定的约束和支撑，当温度变化时，管道会产生较大的温度应力，附加到对他产生约束作用的结构上，对支撑构件、相连设备产生连锁影响，这一影响轻则导致结构变形，重则诱发安全事故，因此有必要提高管道的柔性，消除温度应力的不利影响。除优化管道布置设计方案外，设计人员还可以通过引入自然补偿思想，实现温度应力的自我消化。当前常用的补偿设计有安装补偿器或自然补偿两种方式，其中，自然补偿法指利用管道自然弯曲形状（或设计成L或Z管道）所具有的柔性，补偿其管道自身的热胀和端点的位移的方式。由于自然补偿法具有结构简单、运行可靠、成本低的优势，因此在化工管道设计中的应用更为广泛。自然补偿法是化工管道设计中常用的思想，其对于提高管道系统的稳定性、安全性具有重要意义【1】。本文将在介绍自然补偿法内涵及计算方法的基础上，分析提高自然补偿法效果的若干方法。

2.化工管道自然补偿设计

倘若化工管道没有相应的限制极其支撑装置，温度的改变会致使管道因为受到热胀冷缩的情况而出现相应的变形量，并且对于自由收缩的管道来说，不能对相关设备极其有关元件带来影响，会在某种程度上受到不同种类支撑结构、零件等出现的制约，这样管道就不能实现伸缩的目的，进而当温度在改变的时候出现大量的热应力，会对相关构件、设备带来一定的影响，从而对管道极其设备功能带来不利影响，严重的可能还会引发安全事故，为了减少温度应力，需要在适当的时间增加管道的柔性，并将管道得有关设备所产生的损害进行消除。

通常情况下，相关人员在对化工工程进行设计的时候，应当对工艺设备的优化情况考虑在内，并且管道布局的优化次之，并且工艺设备布局方案在得到确定以后就可以对管道布置的实际走向进行确定以后对应力分析进行研究。一般情况下，补偿设计主要分为以下两种类型：一种是补偿器；另一种是自然补偿【2】。而对于自然补偿来说，结构较为简单、并且在实际运作的时候能够实现稳定的性能，起到节约资金的作用，并且补偿设计通常使用自然补偿法较为适合。

3.自然补偿法的计算方法

化工管道的自然补偿有L型、Z型、空间自然补偿三种方式，当温度变化时，管道弯曲部分的塑性变形及弹性变形实现对管道的自然补偿，其中热力管道的伸长量计算公式如下：

需要注意的是，此式需要在特定的条件下才能使用：首先属于一根管道且管径管材没有发生变化；其次管道的两段是固定点；再次管道重点没有支吊架；最后管道没有分管。自然补偿方式主要是将四根或者六根化工管道的弯头用来构成转弯，一般布置的方式为立体形式。这种自然补偿需要在固定的框架之间进行布置，并且还需要尽可能的布置在中点位置，从而保证其具有良好的补偿作用。另外两个固定框架之间距离要大于化工管路整体长度的1/3。

4.化工管道自然补偿能力提高方法

4.1增加管道整体柔性

自然补偿对管道整体柔性要求很高，要确保管道变形处于弹性变形范围内，不能出现塑性变形，。平面管系可适当增加远离固定点的管路长度来增加管道的长度，选择无热膨胀、微膨胀管道，或采用自然补偿能力高的平面布置形式提高管道柔性。

4.2设备布置

倘若常规设计方案及其采取自然补偿的形式也不能减少温度应力到制定标准值的情况下，那么相关人员就需要将设备布置方案进行调整，从而为设备安全起到保护的作用。对于设备布置时期来说，相关人员应当最大程度减少管线应力出现超限的情况，特别是管线自然补偿，尽可能确保一次性完成应变补偿【3】。

4.3优化管路支架布置

改变管路的约束条件同样能够增加管路的自然补偿能力，对于一些热应力过大的局域区域，可以设置弹性吊架支撑、限位支架吸收、分担热应力，削弱管道变形的累积效应，管线不能出现很大的位移时，为了减小管线变形量，长距离管路需要借助固定点将其分解为独立简单形状管系，并且需要承受管道振动、冲击载荷或者需要控制管道位移的位置设置固定点。

4.4增加管道整体柔性

由于自然补偿会对管道的整体性质提出越来越多的要求，为管道能够在允许的范围内创造有利条件，不会发生变形的情况。通常情况下，平面管系统能够在适当的时间增加相应的长度，以此来增加管道的总体长度，尽量选择微膨胀管道为宜，亦或是采取自然补偿能力不打的平面布置方式将管道所具有的柔韧性加以提升。

结束语

总而言之，管线作为化工行业的设施之一，相关人员在对管道进行设计的时候，应变补偿环节作为关键所在，对管线以及设备可以实现安全运行提供方便，自然补偿有着较多的优势，例如结构简单、不会花费过多的成本，所以在实际设计的使用可以对管线以及设备所具有的应力情况进行优化，从而确保管线及其设备处于安全稳定的状态。

参考文献：

[1]王一.化工管道设计中常用的自然补偿法研究[J].化工管理，2016（2）.

[2]郭晓莹，王庆，翟俊红.化工管道设计中的自然补偿法研究[J].化工管理，2017（17）：144-144.

[3]李杨子.化工管道设计中的自然补偿法研究[J].中国科技投资，2017（9）.