３ 一■技术交流 一石油和化工设备 ２０１２年第１５卷 正确计算方形补偿器安装冷拉值的公式 秦小刚，王银璞，张成藩，李正有 （中石油庆阳石化分公司，甘肃庆阳７４５００２） ［摘要］在热力管道施工安装中，方形补偿器的应用比较常见，但正确计算方形补偿器的安装冷拉值通常不被人们重视。 文章以庆阳石化公司６Ｏ万吨／年催化重整装置转油线方形补偿器的安装为例，详细介绍了方形补偿器安装时冷拉值的计算过 程，得出了正确计算冷拉值的公式。 ［关键词］方形补偿器；安装；冷拉值；计算公式 施工安装的热力管道，除在设计时必须考虑 对管道热膨胀进行补偿外，还要在施工中进行详 细的放样计算。管道补偿的方式有自动补偿和补 偿器补偿两大类。利用管道的自然弯曲管段，如 Ｌ形或Ｚ形管段，来吸收管道的伸缩变形，称为自 动补偿。自动补偿的优点是简单、可靠，无需另 外添加补偿装置，缺点是管道变形时会产生横向 位移，且补偿的管段不宜超过２０，￣，２５ｍ。当自动补 偿不能满足要求时，要考虑补偿器补偿。常用的 有方形补偿器、Ｑ形补偿器、填料式补偿器、波 形补偿器。庆阳石化公司６Ｏ万吨／年催化重整装置 转油线上选用的是一个方形补偿器，在施工安装 方形补偿器过程中，对方形补偿器安装冷拉值进 行了详细计算，成功地安装了补偿器，装置开工 后，方形补偿器随装置的安全平稳运行使用状态 良好。 ２．１补偿器补偿的是两固定支架间管段的热胀冷 缩。 管道的补偿，就是合理确定固定支架的位 置，使管道在两固定支架间进行有控制的伸长与 缩短，以便通过补偿器和管道本身的弯曲部分进 行长度补偿。这里的固定支架具有象征意义，不 单指固定支架，凡是对管道的伸长或缩短起抑制 作用的抑制点均可视作固定支架，如管道相连塔 器。 因此，对于处于两固定支架间的补偿器，补 偿的管段只能是这两个固定支架之间的管段。 ２．２方形补偿器安装时需要冷拉伸。最合理的冷 拉长度，应使方形补偿器运行到最低、最高设 计温度时的垂直臂（分别为图２，图３）与自然 状态下的垂直臂夹角相等。 方形补偿器的最合理的选择应能使它的补偿 能力得到最充分的利用。例如，假设某方形补偿 器补偿能力ＡＬ＝２００ｍｍ，每个垂直臂的最大摆动 １方形补偿器选型 方形补偿器主要有以下四种类型可供选择。 Ｂ 幅度应为ＡＬ／２＝１００ｍｍ。又设垂直臂在最大拉应 力作用下摆幅为△Ｌ１（图２），最大压应力作用下 摆幅为△Ｌ２（图３），显然ＡＬＩ＋ａＬ２＝ＡＬ／２。若 ０ｍｍ＜ＡＬ１＜５０ ｍｍ，￣ＪＪ５０ｍｍ＜ＡＬ２＜ｌ００ｍｍ， 其结果是△Ｌ１的“潜力”未充分挖掘，而ＡＬ２有 可能过大，造成补偿器破坏。反之亦然。有时垂 图１ Ｉ型：Ｂ＝２Ａ；ＩＩ型Ｂ＝Ａ；ＩＩＩ型Ｂ＝Ａ／２；ＩＶ型 Ｂ＝０． 无论何种类型方形补偿器，两条垂直臂长度 必须相等。庆阳石化公司６０万吨／年催化重整装置 转油线上选用的是Ｉ型方形补偿器。 直臂的最大摆动幅度大于ＡＬ／２但未引起补偿器破 坏，只能说明补偿能力过于充分，该型补偿器的 选择不经济。只有ＡＬＩ＝△Ｌ２＝５０ｍｍ时，也即最 ●…●●－●●…………●●●●●●●●●………●●－●●－●●－●●●●………●●●●－●●●●●●●……●●●●●●●●●●● 作者简介：秦小刚（１９７４一），男，甘肃镇原人， 程师・长期从事炼油生产工艺和技术管理工作。 ２管道补偿 第８期 秦小刚等正确计算方形补偿器安装冷拉值的公式 一３９一 低、最高设计温度时的垂直臂与自然状态下的垂 才算得到最充分的利用望萎 时，方形补偿器的补偿能力。 。 图３ ３常规冷拉值计算方法及弊端 安装冷拉值，是指在安装补偿器时，应该将 其冷拉开的数值。对补偿器冷拉值的计算，往往 采用下面两种方法。 （１）将设计冷拉值作为安装冷拉值。也就是 取两个固定支架间管段设计膨胀长度的一半作为 安装冷拉值。 （２）先计算出两固定支架间管段由安装时环 境气温至最高设计温度的膨胀值，再取其值的一 半作为补偿器的安装冷拉值。 用上述两种方法计算出的安装冷拉值去安装 补偿器，当安装温度（安装时管道周围环境的气 温）等于最低设计温度时是合理的，此外便都是 错的。因为：环境温度本身对管道存在热胀冷缩 的影响，若安装时环境温度高于最低设计温度， 会使管段由安装温度到最低设计温度的降温过程 中，因管段降温收缩而又使方形补偿器拉伸了一 定的长度，这样，方形补偿器的累积拉伸长度将 大于设计冷拉值。相反，若安装时环境温度低于 最低设计温度，会使管段由安装温度到最低设计 温度的升温过程中，因管段升温膨胀而又使方形 补偿器压缩了一定的长度，这样，其累积拉伸长 度将小于设计冷拉值。 补偿器在最低设计温度时的累积拉伸长度应 等于或略小于设计冷拉值才是合理的，大于设计 冷拉值，将超出其补偿能力造成补偿器或固定支 架的破坏，而远小于设计冷拉值，将浪费补偿器 的补偿能力。 现以庆阳石化６０万吨／年催化重整装置转油线 上选用的方形补偿器为例，实际检验以上常规方 法的弊端，并得出正确的计算方法。 ４转油线基本数据 一 Ｍ 转油线管线走向如下： 图４ 整条管线全部采用弹簧吊架承重，因此与设 备相连的Ａ、Ｂ两点可视为固定支架。根据以上分 析，可知图中方形补偿器正是补偿ＡＢ管段伸缩量 的。Ａ、Ｂ两点的坐标为：Ａ（Ｅ １０６９５０ Ｎ ３３３００ ＥＬ ２３０１０），Ｂ（Ｅ ７６２００ Ｎ ３０５３５ ＥＬ １０２３５）， 单位ｍｍ，其中Ｅ、Ｎ、ＥＬ分别代表东西坐标、 南北坐标、管道标高。其他数据：最高操作温度 ５ｌ６℃。最低操作温度一３０℃。管道材质为Ｐｌｌ。设 计冷拉值为１２０ｍｍ，安装环境温度１０。Ｃ。 ５方形补偿器冷拉值计算 任意形状的立体管线，其热胀方向为管线 两端点连线的方向。因此该转油线的热胀的方 向是ＡＢ方向。若以东西方向为ｘ轴，南北方向 为Ｙ轴，上下方向为ｚ轴建立空间坐标系，并以 Ａ为原点，则ＡＢ在Ｘ轴的相对距离为Ｌ ＝１０６９５０— ７６２００＝３０７５０ｍｍ，Ｙ轴的相对距离为ＬＹ＝３３３００— ３０５３５＝２７６５ｍｍ，Ｚ轴的相对距离为Ｌｚ＝２３０１０－ １０２３５＝１２７７５ｍｍ。由此可得该转油线在东西、南 北、上下方向的热胀量。 管道热胀量计算公式：ＡＬ＝ａＬ。（ｔ—ｔｏ） （１） 式中：△Ｌ一管道热膨胀量，ｍｍ；ａ．管材线 膨胀系数，ｍｍ／（ｍ・℃）；Ｌ。．安装时管道长度， ｍ：ｔ一管道最高设计温度（一般取管内介质温 度），℃；ｔｏ－管道最低设计温度（设计给定的 按设计取值；未给定的，室外按当地最低气温取 值，室内或沟内按一５℃），℃。 特别说明：固体的线膨胀系数与材料的性质 有关，同时也随温度的升高而稍有增大。对大多 数固体材料，在不太大的温度范围内可以近似地 ４０ ■技术交流 一把ａ看作常数。本例中，将最高操作温度处的线膨 胀系数作为ａ的取值，以确保补偿器的补偿能力。 查阅ＧＢ１５０．１９９８《钢制压力容器》，由内插法可 得Ｐｌ１材质钢管在５１６￣Ｃ时的线膨胀系数ａ＝１４．３ Ｘ １０‘ ｍｍ／（ｍｍ・℃、。 ５．１按第一种常规方法计算安装冷拉值 将公式（１）中的ＬＯ分别以Ｌｘ、ＬＹ、Ｌ 代替，可 得出转油线在东西、南北、上下方向的热胀量△ ｘ、△Ｙ、△ｚ如下： △Ｘ＝ａＬｘ（ｔ－ｔ０）＝１４．３×１０ ×３０７５０×［５ ｌ６－（－３０）］ ≈２４０ｍｍ： ＡＹ＝ａＬＹ（ｔ—ｔ０）＝１４－３×１Ｏ ×２７６５×【５１６－（－３０）］ ２１．６ｍｍ； ＡＺ＝ａＬｚ（ｔ—ｔ０）＝１４．３×１０ ×１２７７５×［５１６一（一３０）］≈ ９９．７ｍｍ． 由以上可知，△Ｙ、△Ｚ的数值较小，通过转 油线上的自然弯曲和弹簧吊架即可自动补偿管段 在该方向的热胀量，不必专门设置补偿器。而△ ｘ数值较大，且ｘ轴方向又没有弹簧，故需要在ｘ 轴即东西方向设置补偿器，这与图纸设计是一致 的。 根据以上分析，方形补偿器的安装冷拉值应 为：△Ｘ／２＝１２０ｍｍ，与设计冷拉值一致。 ５．２按第二种常规方法计算安装冷拉值 由公式（１）可得安装时环境气温至最高设计温 度的膨胀值： △Ｘ＝ａＬｘ（ｔ—ｔ０）＝１４－３×１０。ｏ×３０７５０×（５１６－１０）≈ ２２３ｍｍ； 方形补偿器的安装冷拉值应为：△ ｘ／２＝１ｌ１．５ｍｍ． ５．３实际安装时环境气温到最低设计温度的形变 量 由以上分析可得，方形补偿器最终安装冷拉 值还必须把管段由安装温度ｔ安到最低设计温度ｔＯ的 形变△ｘ１考虑进去。由公式（１）可得ＡＸ１值如下： △Ｘ１＝ａＬＸ（ｔ￣一ｔｏ） （２） 若ｔ安 ｔ０，￣ＪＪＡＸＩ＞＿＿０，说明管段由ｔ安Ｎｔ０时，管 段收缩，方形补偿器受拉伸长；反之ｔ安 ｔ。，则△ ＸＩ＜０，说明管段ｆｌｉｔ安Ｎｔ０时，管段膨胀，方形补偿 器受压缩短。 代入可得：ＡＸ１＝ａＬｘ（ｔ安．ｔ０）＝１４．３×１０ × 石油和化工设备 ２０１２年第１５卷 ３０７５０ Ｘ［１０‘（一３０））】≈ｌ７．６ｍｍ ５．４最低设计温度时的累积冷拉值 按第一种常规方法计算，在最低设计温度 时，方形补偿器累积冷拉值为： △Ｘ／２＋△Ｘ１＝１２０＋１７．６＝１３７．６ｍｍ 按第二种常规方法计算，在最低设计温度 时，方形补偿器累积冷拉值为： Ａ Ｘ／２＋Ａｘ１＝１ １１．５＋１７．６＝１２９．１ｍｍ 显然，以上常规方法计算出的累积冷拉值均 大于设计冷拉值即１２０ ｍｍ，按此冷拉施工将造 成方形补偿器的破坏，因此以上常规方法存在缺 陷，不尽合理。 ５．５正确的安装冷拉值计算公式 根据以上分析，正确的安装冷拉值６计算过 程为： 将公式（１）、（２）代入上式可得： ／５＝ａＬｘ（ｔ—ｔｏ）／２一ａＬｘ（ｔ￣－ｔｏ）＝ａＬｘ［（ｔ＋ｔｏ）／２一ｔ安）】 （３） 以Ｌ。代替公式（３）中的Ｌ ，便可得到方形补偿 器安装冷拉值的正确计算公式： ６＝ａＬｏ【（什ｔｏ）／２一ｔ安） （４） 式中：６．方形补偿器安装冷拉值，ｍｍ；ａ．管 材线膨胀系数，ｍｍ／（ｍ・℃）；Ｌ。一安装时管道长度， ｍ；ｔ－设计最高温度，℃；ｔ。。设计最低温度，℃；ｔ 安一安装温度，℃。 解得：６＝ＡＸ／２一△Ｘ１＝１２０—１７．６＝１０２．４ ｍｍ ６方形补偿器的冷拉安装施工 按正确计算出的安装冷拉值作为方形补偿器 的安装空位，通过强制拉伸方形补偿器与管段相 碰（此时方形补偿器刚好完全占据安装空位）， 最后焊接即可。通常拉伸时，可同时拉伸两垂直 臂（图５），也可焊完一端，只拉伸另一端垂直臂 （图６）。 庆阳石化公司转油线采用的是另外的方法。 它将自然状态的方形补偿器与管段正常安装，预 先不留空位，然后在平行臂上割除长度为正确安 装冷拉值的管段，最后利用倒链和顶丝强制拉伸 平行臂，通过倒链粗调以及顶丝微调，可以实现 平行臂的精确对口。具体施工见图７。采用的冷拉 工具有：带螺栓的紧固件、千斤顶或倒链等。 （下转４５页） Ａ 第８期 刘维宪油井杆管偏磨机理的定量分析与认识 拉 力 ｆ． ．． ．４５— 一３．２井斜对偏磨的影响 前大采油厂有直井１１５口，斜井１８１口。２００９ 年直井因偏磨维修７９井次，斜井为２２５井次，直井 每口井平均每年维修０．６８井次，斜井每口井平均每 年维修１．２３井次。 年以后才开始出现偏磨情况。 一 一４结论 （１）造成杆管偏磨的根本原因是井身结构， 而不是杆管自由弯曲。 （２）偏磨主要发生在上冲程，而不是下冲 程。 井斜必然在不同程度上导致偏磨发生。在生 产实践中，有些直井也不同程度存在偏磨问题， 如前大２—２５井，仅２００９年，因偏磨维修达４井次之 多。有的斜井反而不存在偏磨现象，如前大１７．１３ 井，从２０００年投产至今，因杆断维修达１０井次， 只有１次因管漏维修。这是因为实际中存在直井不 直，斜井不斜的问题。 （３）斜井在不同程度上存在偏磨问题，直井 可以忽略偏磨的影响。 （４）偏磨程度与液面高度有关。在井况相同 的情况下，液面越高，偏磨程度越小。 （５）存在偏磨的油井，很难避免偏磨。但避 免杆管之间直接接触是可以做到的。其最经济最 有效的措施是加扶正器。如何根据杆管偏磨程度 确定扶正器的安装密度以及如何优选扶正器，是 解决偏磨问题的关键。 ３＿３直井套变对偏磨的影响 如果仅依靠原始油井资料，往往会出现偏 差，即使原始资料准确无误。随着油井开采时间 的延长，一些井的井身结构会发生变化，导致油 管弯曲，从而致使偏磨现象发生。如前大采油厂 有１３口油井在开采前２．３年没有偏磨情况记录，２—３ （上接４０页） 摘力 啊 一， ．．．一……． ｋ ． ，Ｉ１ ： 实际施工中，通常按设计冷拉值进行冷拉施 工的做法给方形补偿器、热力管道的安全稳定运 行埋下了极大的隐患，因此这种常规施工方法亟 待纠正。公式（４）为方形补偿器安装冷拉值的正确 计算提供了理论依据。 一Ｂ 图５ 拉力 … ：寸÷——一 ８… ｈ 。 Ｂ ◆参考文献 【１］胡忆沩，李尚发，鲁国良等．实用管工手册［Ｍ】．北京：化 学工业出版社，２０００． ［２］ＧＢ１５０—１９９８，钢制压力容器［Ｓ】． 【３】ＳＨ／Ｔ３５２０－２００４，石油化工铬钼耐热钢焊接规程【Ｓ】． Ｉ 图７
