简析金属波纹管膨胀节在管道设计中需考虑的几个因素

苗 岭,赵 君（延长石油集团北京石油化工工程有限公司西安分公司,西安 710075）

简析金属波纹管膨胀节在管道设计中需考虑的几个因素

苗 岭,赵 君
（延长石油集团北京石油化工工程有限公司西安分公司,西安 710075）

摘 要：金属波纹管膨胀节在各类工程管线应用已很广泛。但由于工程管线布置 条件多样、金属波纹管膨胀节种类和应用方法多样，若对金属波纹管补偿器的特性与管线布置条件的结合未做充分、成熟的考虑，则会造成安全隐患。

关键词：金属波纹管膨胀节；应用方法多样；安全隐患

金属波纹管膨胀节广泛应用在各种因管道布置条件限制且工作温度与环境温差造成管道应力和设备管口受力超限的工况下。其种类多样，如：单式轴向型、直管压力平衡型、复式拉杆型、弯管压力平衡型、铰链角向型、万向铰链角向型等。

由于工程管道布置条件多样、金属波纹管膨胀节种类和应用方法多样，若对金属波纹管膨胀节的特性与管线布置条件的结合未做充分、成熟的考虑，则会造成安全隐患。根据以往工程经验教训，应至少考虑如下几个因素。

1　管道内压推力

为避免高压管道巨大的内压推力作用于管道支架及土建结构上，应优先选用自身可承受管道内压推力的膨胀节。

以某电厂启动汽源管道改造工程为例。该管道规格是DN250，设计压力1.65MPa，设计温度350℃。

由于需在厂区内长距离直线布置，则要使用金属波纹管膨胀节。若使用自身不能承受管道内压推力的膨胀节，则各个最靠近管道盲端的固定支架在设计工况时需要承受的管道水平推力约是8.26吨力，而该规格管道的各标准固定支架均远无法承受如此大的水平力，更不用说为承受该水平力所需付出的超过常规情况多倍的土建费用。

故该工程采用了直管压力平衡型金属波纹管膨胀节，该类型膨胀节可轴向补偿管道热胀，并自身承受全部的管道介质内压推力。因此在使用该型膨胀节后，膨胀节只向管道上的相关支架作用其波纹管的轴向变形力，而这种轴向变形力相对较小，工程中较易处理。

经现场反馈，上述管道系统多年来运行正常。相反，若设计中未考虑上述管道内压推力，则可能造成管道固定支架的管部或其土建结构毁坏，导致管道系统崩溃。根据相关事故现场的资料，这种毁坏后果是惊人的。

2　金属波纹管弹性力

由于上述高温高压管道轴向膨胀节弹性刚度在管道轴向变形量较大时，会大量累积弹性水平推力，造成膨胀节两侧固定支架较难承受。为显著减小作用于管道固定支架上的这种水平推力，对于长距离直线布置管道，还可适当设置如“Z”“L”“П”型，并在这些管道拐弯部位上，设置横向膨胀节组合单元，以此形式来吸收长距离直线管道的轴向热胀。

这种横向膨胀节组合单元，每个单元由三个角向补偿单元组成（组合方式有两种：（1）一个复式拉杆型膨胀节+一个铰链型角式膨胀节；（2）三个铰链型角式膨胀节）。由于这种补偿方式主要是利用角向补偿单元与角边长的乘积来放大横向膨胀节组合单元的补偿能力，所以其补偿能力非常大，并且产生的弹性变形力较轴向膨胀节小很多，管道固定支架可轻松承受这种弹性变形产生的水平推力。而且其布置方式灵活多变，膨胀节自身均可承受全部的管道介质内压推力。

这种横向膨胀节组合单元在工程应用中适用面很广，现场使用效果很好。

3　膨胀节所受外压力

为防止管道非工作态时的自重及特殊工况（如管道抽真空）对膨胀节的轴向挤压效应，而可能使膨胀节损坏，所以在设置横向补偿组合单元时，应优先选用铰链型膨胀节。当必须选用拉杆型膨胀节时，应要求制造商采取措施（如在膨胀节两端板内侧拉杆上的合适位置设置止推螺母），使其能安全抵抗上述管道自重及个别工况（如管道抽真空）对膨胀节的轴向挤压力。

（1）当上述横向补偿单元中的复式拉杆型膨胀节布置在立管时，由于复式拉杆型膨胀节上端连接的管道有自重，该重量会在管道不工作无内压时，轴向挤压复式拉杆型膨胀节，而该型膨胀节两侧端板内侧一般无紧固螺栓，所以此时该型膨胀节的波纹会受到挤压，而这种挤压容易超过波纹管的允许限度，且并不是该膨胀节的设计变形方式，故容易损坏波纹管。（2）当有复式拉杆型膨胀节与汽轮机直接相连时，若汽轮机冷凝器在机组启动前抽真空，该复式拉杆型膨胀节会因与冷凝器连通而受到大气的轴向挤压，这种挤压力很大，也容易如上述第1条损坏膨胀节。

所以，在上述两种工况下的复式拉杆型膨胀节订货时，应要求其在两侧端板内侧的拉杆上的合适位置，设置限位螺栓。在设置此限位螺栓后，上述挤压力会转移到膨胀节的拉杆上，由于杆状物抗拉但不易抗压，所以还应向供货商提出相应的抗压要求，以保证拉杆粗细合适。

4　安装预变形

为充分利用各膨胀节的补偿能力，可对一个补偿单元在安装时做反向预变形热胀量的50%。这样无论对于何种膨胀节设置方式，都有利于减少工作状态时管道及管道支架受力，有利于管道安全稳定运行。

5　管道支架摩擦力

设置膨胀节的管道中会有分割管道膨胀区段的固定支架，在布置水平管道时，应将这种固定支架两侧直接相连的刚性管道总重尽量设置相等。因为管道支架会有摩擦力，当管道工作受热变形时，管道的各滑动支架会滑动，这时滑动摩擦力会反向作用于相应的固定支架。若该固定支架两侧的刚性管道总重相差较大，会对该固定支架产生较大的水平摩擦反向推力，这种推力也容易很大，而损坏该固定支架。

根据工程经验，上述情况下，该水平摩擦反向推力可取：（固定支架单侧直接相连的刚性管道多侧总重-固定支架单侧直接相连的刚性管道少侧总重×70%）×管道滑动支架摩擦系数。

综上所述，在设计含有金属波纹管膨胀节的管道时，需要充分考虑至少上述五种因素对管道布置及膨胀节的影响，以避免安全隐患，保证整个管道系统安全稳定运行。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准[S].金属波纹管膨胀节通用技术条件.2008.

[2]中国石油天然气股份有限公司[S].金属波纹管膨胀节安装规范.2010.

作者简介：苗岭（1979-），男，河南通许人，热工，工程师。