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关于直埋蒸汽流量计内固定支架设计及应用分析

关于直埋蒸汽流量计内固定支架设计及应用分析

时间:2019-11-08 10:56:28
摘要:随着城市规划的要求,城镇供热的蒸汽流量计使用越来越多,在各个直埋蒸汽流量计项目中,设计、监理等项目质量控制单位把注意力主要放在钢管、保温层、补偿器等主要原材料上,经常忽略了工程中的一些结构细节和工艺要求,例如,焊接、支架等。本文重点分析了蒸汽蒸汽流量计内固定支架的常见问题,并提供了一些解决办法。
随着城市规划的要求,城镇供热的蒸汽流量计使用越来越多,在各个直埋蒸汽流量计项目中,设计、监理等项目质量控制单位把注意力主要放在钢管、保温层、补偿器等主要原材料上,经常忽略了工程中的一些结构细节和工艺要求,例如,焊接、支架等。这里重点分析蒸汽蒸汽流量计内固定支架的常见问题,希望引起业内的重视,笔者并提供了一些解决办法。当前蒸汽蒸汽流量计行业的钢套管通常多数使用钢制管道,特别是华南地区。这种保温管的固定支架通常都是内固定支架,固定结构位于工作管外壁和钢套管内壁之间。固定支架是直埋蒸汽流量计道分段热补偿的基准点和受力点,同时,固定支架对三通、支线、阀门等不适合产生热位移的部位进行保护,是整个管道系统稳定性的保障。
内固定支架的首要作用是承受因热补偿产生的推力。蒸汽流量计非常常用的补偿方式是轴向波纹补偿器,特别是长距离连续埋地敷设的蒸汽流量计。少部分使用管道自然补偿或由架空管的补偿机构补偿。无论热力管道是自然补偿还是机械补偿,工作管都需要固定支架作为受力点。
有波纹补偿器的管段,在管线热运行时,固定支架承受的主要作用力有工作管热位移时克服摩擦力时产生的反推力、波纹补偿器的弹力、工作管及保温层的重力介质产生的内压推力。固定支架设计时,首先要计算其能否承受这里力之和(矢量和)。但是不能仅以此作为固定支架受力计算的依据。根据施工经验和理论计算,水压试验时,介质因内压力产生的轴向推力要比正常运行时大得多。水压试验的目的是检验整个管道系统的强度,管道水压试验时,介质作用于工作管的压强和轴向总受力面积都比管道正常运行时要大。以 某 直 埋 蒸 汽 管 项 目 DN600 管 道 为 例, 工 作 管规 格 为 Φ630×10, 钢 套 管 为 Φ1120×12, 设 计 压 力P=1.5MPa,使用的是外压轴向式波纹补偿器,补偿器的有效面积 A=4766CM²,根据管道施工规范,管道水压试验 的 强 度 为 1.5P.F=1.5PA=1072350N。 补 偿 器 波 纹 刚 度K X0 =423N/mm, 补偿量为 X O =190mm,则补偿器产生的弹力为F2=1/2X O K XO =40185,方向和内压推力相反;可知介质作用于工作管的内压推力 F 合 =F-F 2 =1032165N。即作用于固定支架的非常大轴向推力为 F 合 ,相当于超过 100 吨重物的重量。波纹补偿器处的固定支架必须有足够的强度来承受推力,此处的固定支架的受力计算必须严格谨慎,不然可能会造成严重的工程事故。根据蒸汽流量计结构形式可知,通常每条管线有很多个固定支架,而管线两端都会有内压产生的推力。在水压试验时只有管线非常末端的固定支架或一端不受内压推力的固定支架的轴向受力等于上文的F 合 ,这种固定支架通常称为主固定支架。其余的固定支架因为两边波纹补偿器作用力抵消的原因,受力会远小于主固定支架,管线变更或改造也会出现类似情况。因此,可以根据实际情况增加主固定支架的强度 , 承受介质内压推力的固定支架必须做严格的受力分析。但是,当主固定支架如果破坏失效,相邻的一个固定支架就会承受元主固定支架承受的所有轴向推力,或者管线变更也可能出现这种情况。因此,在重要或者安全要求较高的项目,每个固定支架都要能够承受整条管线所产生的非常大内压推力,并且要有足够的安全系数。
自然补偿时,固定支架承受的工作管的热位移时克服摩擦力的反推力和工作管弯曲产生的弹力。工作管在自然补偿时微量变形,产生的推力较小,通常远小于固定支架的承载力。但是,自然补偿时固定支架处的主要受力除了沿轴向的反推力外,还会受到工作管侧向的作用力,而且当补偿臂较短时,作用力会较大,因此,也应在设计阶段做应力分析。自然补偿作用力的大小在各个相关规范及实用手册中均有详细描述,此处不再赘述。
固定支架通常是蒸汽流量计在工厂预制在蒸汽流量计中,含有固定节支架的预制蒸汽流量计段通常比较短,这段蒸汽流量计一般被称为固定节。固定节的做法有很多种,目前非常常用的是圆周型,圆周型固定节有以下优点:(1)结构稳定,受力均匀;(2)每两个固定节之间的保温空间可以被隔离开,便于检修。如图 1。
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这种固定支架看上去结构简单,大小头与工作管和钢套管整圈满焊,工作管周向受力均匀,非常大程度地降低了应力集中。大小头在工作管受热膨胀后可产生一定的弹性变形,减小固定结构处产生的二次应力。整圈满焊形成保温空间的隔断,如果工作管某点泄漏,蒸汽就会在相应补偿段的排潮管排出,既可以不影响其他补偿段的保温层,而且检漏的范围就在这个补偿段上,不用在整条管线上盲目查找。直埋内固定节的表面温度控制一直是热力管道预制的一大难题。钢的导热率通常是普通保温材料的上百倍甚至上千倍。内固定节中的钢制固定结构的热传导会使钢套管处的温度过高,导致固定节处钢套管防腐层破坏,如图 1 的 C 处。并且高温会影响周围的土壤结构和植被。直埋蒸汽流量计道检修,开挖后,经常会发现内固定支架处的钢套管处腐蚀破坏。按照现行非常新规范,蒸汽流量计运行时钢套管外表面非常高温度不能超过 50℃。由于土壤层有保温作用的原因,很多实际运行的蒸汽流量计道表面温度都会接近或超过 50℃,固定支架处的温度会更高,而且固定支架会影响旁边管道的温度。这样一方面不符合行业规范,另一方面刚套管温度过高会对周围的环境产生影响,包括土壤层、地下水、植被、周围的地下管道等。普通的固定节就存在上述问题。
固定节处的温度控制对蒸汽流量计来说非常重要。多数蒸汽流量计预制厂家在预制时,都未对固定节做隔热处理。但是固定节要达到足够的承载强度和每个补偿段保温空间的严密隔断,工作过就得与钢套管和工作管均沿圆周满焊,这样就必然造成钢套管与固定结构焊接处温度过高。目前,多数直埋保温管预制厂家在固定节制作时都未能有效解决固定节外套管处温度会过高的问题。
笔者此处介绍一种解决固定节处钢套管温度过高的办法。固定节制作时,在钢套管、固定结构、工作管焊接完毕后,以钢套管和固定结构的焊接点为中心再增加一层外护管,两层钢套管直接添加保温层,之后在按要求做防腐处理。固定结构同样参照图一结构,钢套管外以 C 处为中心再增加外护管,如图 2。
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如此一来,C 处的热量由外护大小头(件 3)和外护管(件4)分散,解决了固定节外表面局部温度过高的问题。从宏观角度看,这个措施实际上是增加了固定结构外层的总热阻。在其他层热阻不变的情况下,其表面温度自然会比原来降低。由以上可知,固定支架是直埋蒸汽保温管整个管网安全运行的关键部件之一,再制作时不能仅考虑其“固定”功能,还需要考虑其受力强度、密封性能、表面温度、内部应力等方面因素,才能保证固定支架的安全、性能和寿命。在项目的设计、预制、施工的各个阶段,都必须重视。
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