高炉主干管金属波纹补偿器在线修复

WISCOTECHNOLOGY　　Jun.2009Vol.47　No.3

煤气主干管金属波纹补偿器在线修复

何　颖

(武钢能源动力公司,湖北武汉430083)

摘　要:介绍煤气主干管上的金属波纹补偿器出现泄漏之后,在不影响高炉生产的情况下,采取在线包覆的方法进行修复。对包覆补偿器的设计、制造进行理论验证,同时就包覆补偿器对原固定支架的推力控制、制造和安装过程中的变形控制、施工过程的安全控制等进行阐述。关键词:煤气主干管;金属波纹补偿器;泄漏;包覆;在线修复

中图分类号:TK438　文献标识码:B　文章编号:100824371(2009)0320044204

On2linerepaironmetalripplecompensatorofmaingaspipelineofWISCOHEYing

(EnergyResource&PowerCompanyofWISCO,Wuhan430083,China)

Abstract:Thepresentpaperintroducestherestorationofthemetalripplecompensatorbymeansofon2linewrappingwithnointerruptionofnormalproductionoftheblastfur2naceassoonastheleakageofthegasoccursonthemetalripplecompensatorofthemaingaspipeline.Thefeasibilityoftherepairplanistheoreticallyvalidatedandputintoeffectanddesirableresultsandtremendouseconomicalefficienciesalreadyachievedaswell.

Keywords:gaspipeline;metalripplecompensator;leakage;wrapping;on2linerepair

　　煤气管道是钢铁冶金行业的重要工业动脉,担负着输送易燃易爆的煤气的任务,其安全可靠的运行对生产安全、设备安全和人员安全是至关重要的。现代煤气管道系统采用金属波纹补偿器吸收热位移,它是煤气管道重要部件,是确保煤气管道系统正常运行的关键组成部分。

由于补偿器本身的使用寿命、设计选型、制造质量及腐蚀等原因,往往补偿器会早于主管出现损坏和泄漏现象。处理泄漏补偿器最好的办法当然是更换补偿器,但对于煤气主干管来讲,停气更换补偿器几乎是不可能的,其他的办法也有如采用黏结剂黏结堵漏,但这种办法只能维持几个月的时间,随着黏结剂的老化及补偿器的变形,泄漏处又会重新脱胶泄漏。因此找到一种安全可靠并能长时间使用的补偿器在线修复方案对煤气主管泄漏的补偿器来说,就显得尤为紧迫而重要。

经多年的摸索和大量的试验,目前找到了安全可靠的泄漏补偿器在线修复方案,此方案是在

作者简介:何　颖(19702),女,工程师

原泄漏补偿器上再包覆1台新的补偿器进行在线

修复,下面就此修复方案进行介绍。

1　泄漏煤气管道补偿器的现状

2006年1月武钢燃气厂发现1号双文出口,

压力约0.012MPa、温度约60℃的高炉煤气主管道上DN1800的轴向型补偿器泄漏,泄漏位置是在不锈钢波纹元件直边段与碳钢接管焊接处,如图1所示。

图1　现场煤气管道补偿器泄漏部位示意图

第3期何　颖:煤气主干管金属波纹补偿器在线修复

温度T≤60℃;

　　　・45・

2　在线包覆方案的确定

为了保证高炉正常生产,对泄漏的波纹补偿器再包覆1个补偿器是一个较理想的方案。

2.1　在线包覆方案需解决的问题

这一方案是在不影响正常生产的情况下进行。采用在原泄漏补偿器上再包覆1台新补偿器的方法进行在线修复。运用这一办法进行在线修复需要解决如下技术问题。

(1)在原固定管架不加固的情况下,新增的包覆补偿器的弹性反力对原固定管架不能有影响;包覆补偿器补偿量能满足使用条件。

(2)包覆补偿器需剖开后进行现场组装,应考虑补偿器制造和安装过程的变形及控制对策。

(3)现场焊接安装的可行性及安全措施。

上述技术问题通过对包覆补偿器的合理设计、制造及安装控制是可以得到解决的。下面就包覆补偿器的设计制造与安装进行简要的说明。

补偿器所在位置的管系位移ΔX≈30mm;

ΔY≈10mm。

根据上述使用条件及补偿器的设计尺寸,对包覆波纹补偿器的强度、疲劳寿命、补偿量和刚度等性能参数的设计进行计算,计算按国标GB/T12777—1999及EJMA进行,计算公式如下:

(a)内压在波纹管直边段所产生的环向膜应

力

2tt

б1=P(Db+nt)LtEbK/2[ntEbLt(Db+

t

nt)+tckEcLcDc]

(b)内压在波纹元件中产生的环向膜应力б2=PDm/2ntP[1/(0.571+2h/q)](c)内压在波纹元件中产生的子午向膜应力б3=Ph/2ntp

(d)内压在波纹元件中产生的子午向弯曲应力

22

б4=PhCp/2ntp

(e)位移在波纹管中产生的子午向膜应力

23

б5=Ebtpe/2hCf

(f)位移在波纹管中产生的子午向弯曲应力

2

б6=5Ebtpe/3hCd(g)疲劳寿命

a

Nc=[C/(бtCt-b)](бt=0.7(б3+б4)+б5+б6)

(h)波纹元件单波整体理论刚度

2.2　包覆补偿器的设计、制造与安装2.2.1　包覆补偿器结构形式的确定对已泄漏的补偿器进行包覆首先要能满足原补偿器的位移要求,为提高包覆补偿器的使用寿命,最好比原补偿器有更大的位移能力。武钢燃气厂煤气管道泄漏的补偿器为DN1800轴向型,轴向型补偿器主要用于吸收轴向位移,横向补偿能力较弱。但已泄漏的DN1800轴向型补偿器所在管系对补偿器有较大的径向位移(原设计有不足之处,疏忽了这一环节),这对补偿器的长期使用不利。为提高补偿器的使用寿命,此补偿器的包覆补偿器改为可同时吸收轴向位移和径向位移的自由复式补偿器,整体形式如图2所示。

fiu=1.7DmEbtpn/hCf

t33

(i)柱失稳极限设计压力(按波纹管两端固支时计算)

πfiuCPSC=0.34θ/Nq

(j)平面失稳极限设计压力(按波纹管两端固

2

支时计算)

0.5αPsi=1.3Acб0.2y/KrDmq

式中,a、b、c为材料和加工系数;Ac为单个波纹的金属截面积,mm2;Cθ为由初始角位移引起的柱失稳压力降低系数;Cd为U形波纹管б6的计算修正系数;Cf为U形波纹管бfiu、fir的计算修正系5、

数;Cm为材料强度系数(热处理成型态Cm=1.5,成型态1.5≤Cm≤3.0);Cp为U形波纹管б4的计算修正系数;Ct为疲劳寿命修正系数;D6为波纹管直边段及波纹管的内径,mm;Dc为波纹管直边段加强套环平均直径,mm,Dc=Db+2nt+tc;Dm为波纹管平均直径,mm(Dm=Db+w+nt);Db为

Δx”波纹管内径的数值,mm;ex为轴向位移“引起

图2　DN1800包覆补偿器示意图

2.2.2　补偿器的设计与选材

(1)补偿器的设计

原补偿器的使用条件如下:压力P≤0.02MPa;

　　　　・46・武钢技术第47卷

Δy”的单波轴向位移,mm;ey为横向位移“引起的单波最大相当轴向位移,mm;Eb为波纹管室温下的弹性模量,MPa;Ebt为波纹管设计温度下的弹性模量,MPa;h为波纹管波高,mm;K为бб1、2的计算系数,k=Lt/[1.5(Dbt)1/2],且k≤1;Kr为周向应力系数;Lb为波纹管的波纹长度,mm,Lb=

Nq;Lc为波纹管直边段加强套环的长度/mm;Lt

足设计条件,单波补偿量e=23mm是指在给定疲劳寿命Nc=15×3000次的情况下所计算的理

论值。根据附图所示的结构参数及上表给出的单波刚度及补偿量,由下列公式可算得该补偿器的总体轴向刚度(Kx)、横向刚度(Ky)及相应的轴向补偿量(Δx)、横向补偿量(Δy)。

Kx=fiu/N=1117.1N/mm

22

Ky=1.5fiuDm/N(Lb-Δx)=4156N/mΔx=2Nex=40mm

e=ex+ey

为波纹管直边段长度,mm;Lu为复式补偿器中两波纹管最外端间距,mm;N为波纹管波数;P为补偿器内压,MPa;Q为波纹管波矩,mm;t为波纹管单层厚度,mm;tc为直边段加强套环材料的名义厚度,mm;tp为波纹管中单层材料的实际厚度,mm(tp=tDb/Dm);б0.2y为成型态或热处理态的波纹管材料在设计温度下的屈服强度,MPa;

t

б0.2y=0.67;Cmб0.2б0.2/б0.2б0.2为室温下波纹管材

t料的屈服强度,MPa;б0.2为设计温度下的波纹管α为平面失稳应力相互作材料的屈服强度,MPa;

用力系数。

压力计算公式中,仅бббб1、2、3、4需进行强度校核,其要求为:

ббCwb[б]tb1、2≤бCm[б]tb3+б4≤

式中,Cwb为纵向焊缝有效系数,取Cwb=0.85;Cm为材料强度系数,对未退火处理的波纹管取Cm=3.0。

将设计参数及波纹管的几何设计尺寸代入以上各式,可计算出波纹管各设计参数,结果如表1所示。

表1　自由复式包覆型补偿器计算及强度校核应力计算值/MPa

б1=20.05б2=29.36б3=2.30б4=67.22б5=18.83б6=2571.61

失稳压力计算值/MPa设计压力值/MPa

PSC=0.79Psi=0.51

Pw=0.1Cwb[б]=98Cm[б]=345

t

btb

Δy=2N(Lu-Lb-Δx/2)ey/KuDm=19mm根据以上的计算说明可知,包覆补偿器补偿能力为轴向位移Δx=40mm,横向位移Δy=19mm;补偿器的设计疲劳寿命Nc=3000次,安全系数Nf=10。可见,包覆补偿器的使用性能完全能满足现场使用条件的要求。

(2)补偿器的选材原补偿器的波纹元件材质为不锈钢SUS304,接管为碳钢Q235-B。为了提高波纹元件的抗煤气腐蚀能力,保证现场安装的焊接质量,提高补偿器焊接部位抗腐蚀的能力,并为以后返修提供条件,包覆型补偿器波纹元件选用耐腐蚀性能较好的SUS316L材质,与波纹元件对接的连接管采用SUS304不锈钢;环板及其他不与煤气介质直接接触的结构件采用Q235-B碳钢。

2.3　新增包覆补偿器对原固定支架的推

力控制

包覆波纹补偿器与原泄漏补偿器在线联合工作,两者的弹性反力及新增的压力推力相加,将大于原补偿器对固定支架的作用力,若不采取措施,这对固定支架将是个隐患。为解决上述问题,在包覆补偿器安装前应根据安装的气温,对补偿器进行适当的预拉伸,并考虑温度变化引起包覆补偿器的位移,使安装后包覆型补偿器的弹性反力与压力推力方向相反,大小能抵消,这样新增包覆补偿器便不会增大固定支架的推力。补偿器安装前的预拉伸量按如下方法计算,根据安装温度及使用最高温度计算,得包覆补偿器在使用过程中最大位移为Δ(Δ=10mm),则补偿器安装前的预拉伸量为:

ΔL=(D2-d2)・π・P/4Kx+Δ

≈21.14mm

式中,D为包覆补偿器波纹元件中径,mm,D=

应力许用值/MPa判　　别

бб]tb1、2判　　别

Psc、Psi>Pw

满足稳定性要求疲劳寿命/次

Nc=10×3000

单波刚度/(N・mm-1)

fiu=4468.4

单波补偿量/mm

e=23

　　从表1给出的结果可以看出,各计算参数满

第3期何　颖:煤气主干管金属波纹补偿器在线修复　　　・47・

2110;d为原补偿器波纹元件中径,mm,d=1890;P为补偿器内煤气压力,MPa,P=0.018;

Kx为包覆补偿器轴向刚度,N/mm。

2.5　包覆补偿器在安装过程中的安全性

考虑

包覆补偿器在对原泄漏补偿器包覆组装后两

者之间将形成空腔,由于煤气泄漏,空腔中将混合有煤气和空气,在包覆补偿器外施焊时便易引起爆炸或煤气中毒事故,这是要坚决杜绝的。对于少量泄漏的补偿器,可以采用黏结剂对泄漏部位进行黏结堵漏,在检测无泄漏的情况下再进行包覆补偿器的安装,并且在包覆补偿器的最高和最低点各开进气和排气孔(见图3)。现场施焊时,在最低点充入保护气体氮气或氩气,确保施工的安全。

对于大量泄漏无法用黏结剂堵漏的补偿器,则需先用非金属补偿器对泄漏补偿器进行包覆,然后包覆金属补偿器。由于包覆非金属补偿器时需施焊的部位敞露在空气中,包覆非金属元件形成空腔时又不需动火,因此安全性可以得到保证。当非金属包覆完成并检测无泄漏后,再进行金属补偿器的包覆工作。

在整个包覆补偿器的施工过程中,为防止意外的煤气着火或中毒事件发生,现场必须配备灭火器、应急救护工具及专业人员。

2.4　包覆补偿器在制造和安装过程中的

变形控制

包覆补偿器不同于通常的波纹补偿器制造与安装,为了现场安装的需要,补偿器制造完成后需

将整体设备分割成2个或3个部分,然后在现场进行组装。当圆形补偿器沿纵向割开时,由于应力释放将会产生较大的变形,这样在现场组装时由于条件的限制,将无法控制或校正变形,同时也会影响补偿器的使用寿命。

因此,在补偿器制造时就应考虑割开后的变形及安装问题。为了防止沿纵向割开时补偿器圆周方向产生较大的变形,可以在补偿器圆周方向设置限位装置阻止其变形,为此在波纹管的接管两边及中间管上增设4个环板,环板厚度为20mm,高度为180mm。增设的环板既可以防止波纹元件产生较大的变形,又能保护波纹元件在运输和吊装时免受意外碰伤,此外,环板还能作为运输拉杆的支撑板(如图3)。

3　方案实施

经现场尺寸核实、细节讨论及反复磋商后,对武钢燃气厂1号双文煤气出口主干管道上已泄漏的DN1800轴向补偿器进行了在线包覆。经过近1个星期的现场安装,于2006年4月底安装完成并交付使用,设备运行至今状况良好。

4　结　语

经过半年多的努力,完成了煤气主干管上金属波纹补偿器的在线包覆工作。通过这次在线包覆,不仅消除了泄漏,改善了环境,保证了设备的连续运行,而且消除了安全隐患,解决了煤气管道补偿器的泄漏问题。为以后解决类似问题提供了良好的范例,为武钢在线使用的已泄漏波纹补偿器的全面修复提供了理论基础和技术指导,对延长煤气管线的使用寿命具有重要的意义。

(收稿日期:2009203205)

图3　包覆补偿器环板及限位装置设置示意图

　　为了能让补偿器在现场安装时按原割开的位置回装,在割开位置设置限位装置(如图3)。当补偿器在现场进行回装时,先组装限位装置,再进行组焊,这样便可使补偿器沿原割开位置回装,保证补偿器可以达到设计的性能要求。