| 管道柔性设计 |
| 点击：2590 添加时间：2010-5-22 |
管系的柔性设计实质上是围绕着如何增加管系柔性的研究。
（1）管系的空间走向和尺寸设计
一般情况下，管系的空间几何形状和尺寸并不是以完全有利用管系的柔性来确定的，而常常是首先根据与它连接的设备位置、支撑生根条件、工艺要求、操作要求、安全消防要求等确定的，并在满足上述要求的基础上使管道单元长度最短、拐弯最少。在这种情况下确定的管系空间走向和结构尺寸如果能满足管系柔性的要求，那么该管系的设计是最佳的。如果这样的管系不能满足管系的柔性要求，则可根据管系的边界情况适当改变管系的空间走向或结构尺寸使其柔性得到满足。
在管系布置时，无论是无意识地考虑其柔性，还是有意识地特殊考虑其柔性，这种利用管系自身形状所具有柔性以达到吸收热胀和端点位移的补偿方法叫自然补偿。它是相对于采用特殊柔性元件进行热补偿而言的。自然补偿结构简单，运行可靠，投资又少，因此在设计中应优先选用。
（2）管道相关设施的刚度考虑
管系的两端一般与设备接口相连，而设备接口的强度、刚度是由相应的设备专业或制造厂确定的，管道设计人员无法对其进行改变。但管道设计人员可以从两个方面来改变设备接口刚度的影响。
其一是变换与设备接口的主要连接方向。一般情况下，设备接口的刚度在不同的方向是不相同的，沿设备接口方向的刚度较大（特殊情况例外），而与设备接口垂直的方向刚度较小。因此沿设备接口刚度较小的方向布置管系的主热胀方向，可以充分利用设备接口的柔性。但这样做的时候要充分考虑设备接口的受力能力，并以满足设备接口受力要求为原则，不能将管系的柔性矛盾完全转嫁给设备。总之，利用设备接口柔性缓解管系柔性矛盾的潜力是非常小的。
其二是在管系与设备接口连接处设置柔性管件，如金属软管等。如果设置了柔性接头，就等于完全放开了设备接口对管系的限制作用，同时也解除了管系对设备接口的附加力。但一般的柔性接头如金属软管其自身的可靠性较差，操作维护、吹扫等都比较困难，故实际上应用的并不多。金属软管常用于温度和压力不高的加热炉燃料气管道、油品贮罐的进出口管道以及油品装卸设施管道上，但这些应用主要是用于解决管道的操作、检修及设备下沉等问题的。
（3）管系中间支撑的设计
不同的支架型式对管系的约束作用是不相同的，也就是说对管系的热胀约束作用是不同的。例如一般的承重支架仅限制管系某点的一个方向的自由度；导向支架限制两个方向的自由度；固定支架则根据不同的型式可限制三个方向的线位移，也可以同时限制三个方向的线位移和三个方向的角位移（即六个自由度全限制）；止推支架和吊架也仅限止一个方向的自由度，但它与承重支架限制的方向不同。上述的支吊架类型均属于刚性支架，它们一般不会增加管系的柔性，反过来则常利用其约束作用而有意识地限制管系的热胀方向，以防止管系将较大的热胀力转嫁到与它相连的设备接口上，或因管系的热胀而影响到周围相邻的管道。
将某些刚性吊架改为弹簧支吊架可以增加管系的柔性。对于管系某一个节点来说，无支架时则无约束，也可认为其约束支架的刚度为零。当该节点设有刚性支架时，那么沿刚性支架限制的方向则认为其刚度为无穷大，即完全限制了约束方向的位移。弹性支架的刚度介于零和无穷大之间，它对管系有一定的约束作用，但同时又允许它沿约束方向有一定的位移。因此，将管系中一些点的刚性支架改为弹性支架，能够缓解支架的约束作用，从而增加了管系的变形能力，也就是说增加了管系的柔性。
（4）管道柔性元件的应用
管道柔性元件利用其自身刚度较小的特点，可以有效地吸收管系的热膨胀，从而大大缓解了管系中的应力和对边界约束的附加力。就常见的管道柔性无件来说有以下几种：波纹管式补偿器、套管式补偿器和球形补偿器。
（5）摩擦力的考虑
当管系中的各单元因热膨胀而发生位移时，它将与相关的支撑而产生摩擦力。摩擦力与支撑约束有点相似，即它对管系的热胀总是起阻碍作用，或者说它将降低管系的柔性。但摩擦力与刚性支架的阻碍也有区别，即它并不能完全阻止管道元件的热膨胀。
对于小直径管道来说，摩擦力一般是比较小的，它对热胀的阻力也很小以致可以忽略不计。但对于大直径管道来说，其摩擦力可能会很大，此时就应考虑摩擦力的影响。
（6）管系冷紧的考虑
冷紧可以减少管道吊架的偏移量，调整冷态和热态的载荷比例，对于可能产生蠕变的高温管道可缓解其蠕变的发生。但冷紧受施工过程中的人为因素较大，如果处理不好会起不到作用，或者在冷态下产生较大的力。因此，一般情况下尽可能不要采用冷紧，尤其是与敏感设备相连的管道更应慎重。对于自然补偿已满足管系强度分析要求时尽可能不要采用冷紧。
（7）其它问题
在考虑热胀时，不应忽视管系各边界点的位移（设备膨胀、不均下沉等产生的）的影响。
对于管廊上较长的热管道，可用固定点将其分隔成若干个独立的管系，并分别设计其柔性，以减少管道的总位移长度。
对于非工艺管道，当符合下列情况时，可考虑采用柔性管件进行热补偿：
1）受设备布置、空间、支撑条件等限制，无法采用自然补偿时；
2）当管系对相连设备接口或基础、对支撑结构的推力太大时；
3）对于大直径管道，采用自然补偿并不比用柔性管件补偿更经济时；
4）与有较大不均匀沉降的设备相连接时。
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