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1、油田站场供热系统波纹补偿器失效原因分析 油田站场供热系统波纹补偿器失效原因分析 摘要波纹补偿器作为结构紧凑、补偿性能良好、流动阻力小，维护使用简便的补偿元件，在工业和民用的热力管道上被大量采用。其可靠性是通过设计、制造、安装、运行管理等多个环节来保证的，任何一个环节的失控都会导致补偿器寿命的降低甚至失效。针对长庆油田站场供热系统中波纹补偿器的布置方式，通过计算分析，总结出波纹补偿器失效的原因，并提出解决方法。 关键字 热力管道 波纹补偿器失效原因固定支架 中图分类号：TE832 文献标识码：A 文章编号： 0 前言 热力管道是输送高温热能的管道，具有一定压力和温度，因管道升温致使热伸长或温度应
2、力增加，而造成管道变形或破坏。在油田站场热力管网设计中，为了保证管道在热状态下稳定和平安运行，减少管道热胀冷缩时产生的应力，管道上每隔一定距离应当装设固定支架及热力补偿装置。 波纹补偿器作为结构紧凑、补偿性能良好、流动阻力小，维护使用简便的补偿元件，在油田供热系统中被大量使用，是目前最常用的管道补偿装置。但是在实际运行中，往往由于诸多原因就会造成补偿器损坏失效，失去其应力补偿的作用，更为严重会导致管道泄漏，对环境造成污染，带来平安隐患。 1 油田常用供热模式 长庆油田地处陕甘宁蒙腹地，地形复杂多变，支离破碎，站场供热可依托周围热源的可能性很小，绝大局部均为自建热源。油田站场主要用热单元有原油加
3、热和生产用保温等工艺生产热负荷，以及建筑物采暖用热负荷，根据用热介质可以划分为导热油供热系统、蒸汽供热系统和热水供热系统。 1.1 导热油供热系统 以导热油炉作为热源，生产工艺加热介质采用200/150导热油，采暖用热通过油-水换热器产生95/70低温热水供应。根据平面布局结合实际情况，热力管网采用异程布置，以低支墩敷设为主。其优点是系统压力低，热媒品质高，热稳定性好，导热油凝固点低，适用于工艺加热的间歇运行，冬季停炉期间不会引起管线冻裂。 1.2 蒸汽供热系统 蒸汽供热系统采用的是饱和蒸汽作为供热介质，工艺加热运行压力为0.5 MPa0.8MPa，采暖用热通过汽-水换热器产生95/70低温热
4、水供应。管线采用20#无缝钢管，以地上低支墩敷设为主。其优点是热媒温度高有利于提高传热强度，热整体利用率高，工程投资小，系统工艺可靠。缺点是管网跑、帽、漏严重，凝结水回收率低，水处理压力大，运行管理要求高。 1.3 热水供热系统 对于大型供热系统，一般采用高温热水，供热介质为130/115/70高温热水，直接供生产工艺用热和采暖用户。对于小型供热系统，采用95/70低温热水供应。与蒸汽炉相比，系统用水处理规模小、维护费用低，适用于水资源短缺的油田站场供热；供热介质温差适中，有利于有较大生产保温负荷的站场供热；系统工艺可靠、平安性较高。 2 波纹补偿器失效原因及计算 通过对长庆油田站场供热现状的
5、调查分析，在供热管道中，以下三种类型是补偿器的失效的主要原因。一是波纹补偿器本身设计所考虑的压力或位移平安富裕度不够，管线试压时波纹管产生失稳变形失效。二是波纹补偿器材质问题，造成质量问题，强度减弱。三是管线固定支架或者导向支架设置不合理，导致支架破坏，波纹管过量变形而失效。 2.1 热伸长量的计算 根据每段管线的长度，管线的材料及工作温度，便可正确计算出该管段的热伸长量，计算公式如下： L=L103 式中：L管道热伸长量，mm； 管材的线膨胀系数，m/m； L两固定支架间直线距离，m； t2供热介质最高温度，； t1管道安装温度，。 图1直管段热位移示意图 2.2 固定支架作用力计算 固定支
6、架起分割补偿段、设置零点位移、确保补偿段内补偿器正常工作的作用。它分为主固定支架和次固定支架。 主固定支架一般承受以下几种作用力： F主=Fp+Fk+Ff 式中：F主主固定支架所受合力，N； Fp管道工作压力产生的推力合力，N； Fk补偿器的刚性力，N； Ff热位移产生的摩擦力，N， 2.3 导向支架 导向支架是用于为确保管线位移沿着预定方向补偿的支架，该支架数量及位置可根据相关设计手册计算。各支架之间的距离可按以下原那么确定。 图2轴向补偿器支架布置图 1固定支架；2补偿器；3导向支架 Lmax的计算方法如下： Lmax=1.57 式中Lmax最大导向间距，m； E管子弹性模量，MPa； I
7、管子断面惯性矩，mm4； P工作压力，MPa； A补偿器有效面积，mm2； L补偿器伸缩量，mm； K补偿器的刚度系数，N/mm。 式-7中，当补偿器受压缩时采用+ KL，受拉伸时采用- KL。 3 原因分析 经计算分析，波纹补偿器在运行期间的失效主要是，腐蚀泄漏和失稳变形两种形式，其中以腐蚀失效居多。 腐蚀失效的解剖分析发现，腐蚀失效通常分点腐蚀穿孔和应力腐蚀开裂，其中氯离子应力腐蚀开裂约占整个腐蚀失效的93。 波纹管失稳有强度失稳和结构失稳两种形式，强度失稳包括内外压波纹管平面失稳和外压波纹管周向失稳。 现场测定，由于固定和导向支架布置情况不一致，大局部供热管线主要存在如下问题： 4.1
8、检查发现许多导向支架上滑动支座不能轴向自由移动，才导致管线伸缩局部无法传至热力补偿器。相当于现场将导向支架误做成固定支架； 4.2 现场安装补偿器，由于波纹管设计所考虑的压力或位移平安裕度不够，管线试压时波纹管产生失稳变形失效； 4.3 管系固定或导向支架设置不合理，间距过大可能导致支架破坏，波纹管过量不动作或者变形而失效。 5 结论 5.1 热力管线伸缩量不能有效吸收时，将产生巨大的应力，管线的变形量也远远大于计算出的热伸缩量。设计之初，应严格选取各个参数，正确计算、设计，并适当考虑应力富裕。 5.2 过高的综合应力不仅会使波纹管局部很快进入塑性状态，导致波纹管的失稳，并且对应力腐蚀的影响也
9、很大。同样条件下，波纹管应力越高其产生应力腐蚀的倾向越明显。 5.3 波纹补偿器具有良好的补偿能力之外，在供热工程中的应用实践来看，还应考虑应力腐蚀的可能性、水处理剂和管道清洗剂对材料的影响等，良好的可靠度，腐蚀失效率低，安装维修方便，建议以后供热系统中可优先考虑。 5.4 现场施工时，仅仅为了安装方便，而在导向支座两侧加装挡板是不合设计要求的，过去有些旧的标准图集曾在导向滑动支座两侧加装挡板、挡管，现行的最新设计标准、标准都已取消导向滑动支座两侧的挡板、挡管。 参考文献 【1】 锅炉房实用设计手册编写组编，锅炉房实用设计手册，第2版，北京：机械工业出版社，1992 【2】动力管道手册编写组编，动力管道手册，北京：机械工业出版社，2006.1 现在西安长庆科技工程有限责任公司工作，长期从事油田供热工程的设计研究工作。