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，并提出解决办法。

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安全运行，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，带来安全隐患。

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，绝大部分均为自建热源。油田站场主要用热单元有原油加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℃低温热水供给。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 MPa～0.8MPa，采暖用热通过汽-水换热器产生95/70℃低温热水供给。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℃低温热水供给。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、安全性较高。

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安全富裕度不够，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：

ΔL=α·L（t2－t1）×103（式-1）

式中：ΔL—管道热伸长量，mm；

α—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-2）

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则确定。

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-3）

式中Lmax—最大导向间距，m；

E—管子弹性模量，MPa；

I—管子断面惯性矩，mm4；

P—工作压力，MPa；

A—补偿器有效面积，mm2；

ΔL—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+ K·ΔL，受拉伸时采用- K·ΔL。

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，大部分供热管线主要存在如下问题：

4.1 检查发现许多导向支架上滑动支座不能轴向自由移动，才导致管线伸缩部分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安全裕度不够，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，现行的最新设计规范、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

作者简介：

刘佳明，男，汉，工程师。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。