无偏离回转接头装置的设计和应用

姜 杰* 洪 鹤

（1.抚顺矿业集团有限责任公司页岩炼油厂 2.抚顺远宏石化设备科技开发制造有限公司）

0 引言

在油田、石油化工、炼厂或污水处理厂等对介质输送过程中，由于泵都固定在地面上，抽出介质后一般是通过弯头组件来改变介质流向，达到输送介质的目的。管道与弯头者通过法兰或是焊接等连接方式组合到一起，考虑在温差变化、管道材料性质变化等因素，需要在管道中设置伸缩节或是增加膨胀节等降低管道的应力，防止管道发生破损，而且还不能把管道旋转或是摆转成一个任意角度来输送介质，这给石油化工或污水处理等领域带来了不便，也就需要更多的经济投入。为了解决现有技术不能使管道旋转或摆转任意角度，不能简单方便、安全可靠地输送介质，本文设计了一种能够旋转和摆转的无偏离回转接头装置。

1 结构特征

无偏离回转接头装置包括组装在一起的回转组件和环流组件，如图1所示。

图1 无偏离回转接头

1.1 基本组成

回转组件包括外套管、分水管、第一无缝管和第一法兰盘，第一法兰盘固定在第一无缝管的外周上端，外套管的两端朝向左右两侧，第一无缝管的下端连接在外套管的上端，外套管的上端设有与第一无缝管连通的开口，外套管的内部插入有分水管，分水管的中部周圈开有多个分水槽，分水槽的位置与外套管上端的开口位置是相对应的。环流组件包括弯头、三通管和第二法兰盘，两个弯头的一个端部分别连接在分水管两端，两个弯头的另一个端部分别连接于三通管的两端，三通管的第三个端部朝下并且外周下端连接第二法兰盘。

如图2和图3所示，分水管的外周位于外套管的内部开有分水管滚球滚动槽，滚球滚动槽的两侧开有密封圈安装槽，分水管的外周并且位于密封圈安装槽的一侧开有密封带安装槽，密封圈安装槽内设有被挤压的O形密封圈，密封带安装槽内设有被挤压的密封带，外套管的内周与分水管滚球滚动槽相匹配的位置设有外套管滚球滚动槽，分水管滚球滚动槽和外套管滚球滚动槽之间填充满有滚球，外套管设有多个滚球填充孔，滚球填充孔内侧设有螺纹，滚球填充孔螺纹连接有螺栓。密封圈为O形圈材料为丁腈橡胶，密封带为聚四氟乙烯带。

图2 回转组件

图3 外套管、第一无缝管和第一法兰盘结构图

螺栓连接分别用于锁紧螺栓和外套管的螺母。螺栓旋入滚球填充孔部分的端部连接有垫块、垫块远离螺栓的一端加工成凹槽结构，如图4所示。垫块凹槽与滚球接触，保证滚球始终在垫块凹槽内滚动，使回转组件与环流组件的位置固定。

图4 螺栓和垫块的位置关系示意图 图5 环流组件结构示意图

三通管及两端弯头之间还分别连接第二无缝管和第三无缝管，所用弯头为180°弯头，如图5所示。

1.2 壳体强度计算

回转组件和环流组件强度需满足式（1）要求。

壳体材料为304不锈钢，查标准GB/T 12230—2005《通用阀门不锈钢铸件技术条件》可知该材料抗拉强度σb=520 MPa,屈服极限σ0.2=250 MPa，伸长率δ=40%。

初设计的壁厚可按第四强度理论计算：

式中：DN——钢管最大的内径，mm；

SB——考虑腐蚀裕量后壳体的壁厚，mm；

C——考虑各种因素而加的裕量，取3 mm；

p——管道设计压力，取公称压力，MPa；

[αL] ——材料的许用拉应力，MPa。

2 工作原理

无偏离回转接头装置包括组装在一起的回转组件和环流组件；回转组件包括外套管、分水管、第一无缝管和第一法兰盘。第一无缝管的下端焊接在外套管的上端，外套管上端设有开口，内部插入分水管，分水管周圈开有多个分水槽，用于介质流动。分水管位于外套管的内部，设有滚动槽，滚动槽两侧加工密封圈沟槽和密封带槽，槽里安装O形圈和密封带，两组密封装置的设计，保证回转组件旋转时与环流组件的密封，防止介质泄漏。

外套管与分水管滚动槽之间填满滚球，并设有多个滚球填充螺纹孔，通过锁紧螺栓压紧带有凹槽的垫块，使滚球平滑地旋转而不会产生干扰，同时保证外套管与分水管始终保持相对位置，不会因为转动而分离。即使在管道中存在压力，介质正在流动，因为O形圈和密封带的作用，也不会发生泄漏，同时又因垫块压紧滚球，回转组件可以任意旋转，实现带压改变介质流动方向的目的，而不用停车重新安装弯头和法兰，节省了大量时间。

环流组件包括2个弯头、1个三通管和1个第二法兰盘。弯头制成180°结构，一端与分水管焊接，另一端与第二无缝管和第三无缝管焊接，三通管的第3个端部朝下并且外周下端焊接连接有第二法兰盘。两个180°弯头总流通面积是进口管道流通面积的2倍，通过环流组件可以使管道中的介质分向流动，降低介质流通速度，降低噪声，减少设备振动。

使用时，无偏离回转接头装置的环流组件法兰与泵或是固定管道连接，回转组件法兰与下游接管连接。当下游介质需要改变流动方向时，通过旋转无偏离回转接头的回转组件可以任意改变介质流动方向，通过O形圈和密封带作用，保证密封效果，通过滚球和锁紧螺栓保证回转组件不与固定端脱离。

3 性能特点和技术参数

石油化工以及污水处理厂等输送介质时，常需要改变介质输送位置或流向。针对企业改变介质流动方向费时费力，又存在安全隐患等问题设计了一种无偏离回转接头装置。结合使用情况对无偏离回转接头装置的性能特点、技术参数和运行维护作以下说明。

3.1 性能特点

（1）通过法兰盘连接，实现泵后管道的旋转或任意摆转角度，不用安装弯头即可改变介质流动方向；

（2）安装方便，采用焊接组装形式连接以及锁紧螺栓压紧垫块形式固定；

（3）防止管道发生破损，减少安全隐患，保证设备安全运行；

（4）设备结构简单，转动灵活，工作可靠，使用寿命长，运行成本低，维修便捷；

（5）设置双重密封结构，即使管道中存在压力，旋转设备也不会发生泄漏，密封性能好，操作方便；

（6）可以带压改变介质流动方向，而不用停车重新安装弯头和法兰，节省了大量时间。

3.2 技术参数

（1）工作介质压力为0.35～4.0 MPa；

（2）工作温度为0～100 ℃；

（3）最大负压值为-0.3 MPa；

（4）工作介质为水、蒸汽、油品等；

（5）设备主体材料为304不锈钢。

3.3 运行维护

（1）O形圈和密封带处涂抹锂基润滑脂；

（2）必须保证焊缝均匀牢固，无砂眼和裂纹；螺栓需拧紧，各个连接处密封可靠；

（3）设备正常运行期间，应对储罐内的垃圾（如朔料袋、木棍等）进行清理，防止设备动作不灵活。

4 结语

通过对油田、石油化工、炼厂或污水处理厂等对介质输送过程中，改变介质流向时都是通过弯头组件等，通过法兰或是焊接方式连接，由于温差、管道材料性质变化等，及时有膨胀节管道依然存在破损风险。设计了一种无偏离回转接头装置，可以把管道旋转或是摆转成一个任意角度来输送介质，同时减少了大量弯头、法兰、伸缩节等组件，降低了设备制造与维修成本，防止因管道应力作用而发生爆裂，提高了管道使用时的安全性。设备运行安全可靠，使用寿命长，提高介质处理效率，减少环境污染，降低了生产成本，使用安装方便，可广泛使用于污水处理厂及石油化工管道装置。