軸向位移是指軟管長(zhǎng)度方向上的位移。當(dāng)金屬軟管內(nèi)充滿液體進(jìn)行加壓時(shí), 會(huì)產(chǎn)生軸向推力, 隨著壓力的增加, 軸向推力增大, 由此引起軟管軸向伸長(zhǎng), 當(dāng)軟管網(wǎng)套咬合到一定程度時(shí), 軸向伸長(zhǎng)停止。

橫向位移是指垂直于軟管方向上的位移。當(dāng)管道產(chǎn)生橫向位移時(shí), 金屬軟管由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 可以因橫向力的作用產(chǎn)生橫向位移, 其位移力遠(yuǎn)小于普通鋼管的彈性力。

儲(chǔ)罐與主要進(jìn)出口管道的剛度比和質(zhì)量比相差較大, 如果兩者的基本自振頻率相同或相近, 在地震作用下將會(huì)發(fā)生共振, 從而加重儲(chǔ)罐的破壞, 所以金屬軟管的基本自振頻率應(yīng)高于儲(chǔ)罐基本自振頻率的50%[1]。儲(chǔ)罐的自振頻率計(jì)算公式如下:

式中f1———儲(chǔ)罐基本自振頻率, Hz;

T1———儲(chǔ)罐基本自振周期, s;

r0———儲(chǔ)罐體形系數(shù);

hw———液面高度, m;

r1———底圈罐壁平均半徑, m;

t1/3———液面高度1/3處的罐壁厚度, m (不包括腐蝕裕度) 。

注:式 (1.3.2) 為儲(chǔ)罐梁式振動(dòng)基本周期[2]的簡(jiǎn)化近似公式。

儲(chǔ)罐體形系數(shù)的確定見(jiàn)表1。 (注:d1為底圈罐壁平均直徑, m)

一般嚴(yán)格按照生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制造的金屬軟管, 其基本自振頻率均高于10 Hz。當(dāng)儲(chǔ)罐的基本自振頻率低于或等于7 Hz時(shí), 可不考慮儲(chǔ)罐和金屬軟管的共振影響。

金屬軟管在石化行業(yè)得到廣泛應(yīng)用, 但在應(yīng)用中也存在一些問(wèn)題, 主要是由于軟管長(zhǎng)度的選擇和安裝不當(dāng)造成的。軟管長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng), 會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定, 增加流體阻力、增加機(jī)械損傷及振動(dòng)等問(wèn)題;軟管長(zhǎng)度過(guò)短, 就達(dá)不到補(bǔ)償、減振、消噪的目的。所以, 確定金屬軟管長(zhǎng)度是首要工作。此外, 還應(yīng)綜合考慮以下因素:介質(zhì)的性質(zhì), 操作溫度, 操作壓力, 連接管道的公稱直徑, 場(chǎng)地類別, 連接方式, 位移方式等。本文以該儲(chǔ)罐出口管道為例。

金屬軟管主要用來(lái)補(bǔ)償儲(chǔ)罐的橫向位移, 而軸向位移則通過(guò)金屬軟管的安裝長(zhǎng)度, 管線系統(tǒng)的合理布置來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

金屬軟管的長(zhǎng)度通過(guò)式 (2.3.1) 計(jì)算

式中L———金屬軟管的長(zhǎng)度, mm;

Y———金屬軟管需補(bǔ)償?shù)臋M向位移, mm, 如表3所示;

R實(shí)際———金屬軟管滿足補(bǔ)償時(shí)的實(shí)際彎曲半徑, mm, 如表4所示;

該儲(chǔ)罐位于江蘇省南京市, 地震烈度7度區(qū), Y取值為100 mm, R最小根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取20d為4000 mm, 考慮一次性彎曲的脈動(dòng)荷載, R實(shí)際取5200 mm, 代入式 (2.3.1) 計(jì)算得1769, 確定選用L=1800 mm的金屬軟管。

該儲(chǔ)罐底圈罐壁平均直徑d1=19.024 m, 液面高度hw=14.3 m, 液面高度1/3處的罐壁厚度t1/3=0.009 m, 將參數(shù)代入式 (1.3.1) 和式 (1.3.2) 計(jì)算得出該儲(chǔ)罐基本自振頻率為5 Hz, 低于7 Hz, 所以地震時(shí)不考慮共振問(wèn)題。

綜上, 該儲(chǔ)罐出口管道金屬軟管的選型為PN2.0-DN200-WN-304SS, L=1800 mm。

金屬軟管正確安裝是確保其性能充分發(fā)揮的重要環(huán)節(jié)。金屬軟管通常安裝在罐進(jìn)出口管道根部閥之后, 金屬軟管之后也有閥門, 使儲(chǔ)罐與管道直接形成軟連接, 便于金屬軟管的檢修和更換。金屬軟管在自然狀態(tài)下補(bǔ)償軸向位移能力有限, 當(dāng)安裝長(zhǎng)度等于自然長(zhǎng)度時(shí), 必然不能承受強(qiáng)大的軸向拉伸而產(chǎn)生斷裂, 從而導(dǎo)致管路泄漏。因此金屬軟管的安裝長(zhǎng)度要小于自然長(zhǎng)度, 以保證一定的自由度。金屬軟管的安裝示意圖如圖1所示。

圖1中, L為金屬軟管長(zhǎng)度, Smin為最小安裝位移, Smin取決于金屬軟管的大小, 結(jié)構(gòu), 管徑, 補(bǔ)償量和長(zhǎng)度, 常用式 (3.1.1) 進(jìn)行估算。

式中系數(shù)a通過(guò)表5選取。

由于金屬軟管主要吸收系統(tǒng)產(chǎn)生的橫向、軸向位移, 除了安裝時(shí)保證金屬軟管的自由度, 還可以通過(guò)管道的布置來(lái)吸收, 常見(jiàn)的配管方式有兩種, L型 (見(jiàn)圖2) 和Z型安裝 (見(jiàn)圖3) 。L型安裝較常見(jiàn), 整體布局整潔美觀, 減少了管道長(zhǎng)度, 降低流體阻力, 但管道所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力將作用在金屬軟管和儲(chǔ)罐管嘴上, 這樣縮短了軟管、閥門的使用壽命, 同時(shí)也會(huì)損壞管嘴, 造成油品泄漏。Z型安裝雖增加了管道長(zhǎng)度和彎頭數(shù)量, 但管系的軸向位移可以由其自身吸收, 減少對(duì)金屬軟管和管嘴的軸向應(yīng)力, 延長(zhǎng)使用壽命, 也有利于管系的穩(wěn)定。

從安全角度和使用壽命角度考慮, Z型安裝優(yōu)于L型, 所以在平面位置允許的情況下優(yōu)先選擇Z型安裝。

(1) 安裝前必須對(duì)金屬軟管進(jìn)行檢查, 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)消除;

(2) 在吊裝過(guò)程中, 要有防止金屬軟管損傷的措施;

(3) 金屬軟管后應(yīng)加裝短接管, 以補(bǔ)償軟管空檔尺寸的偏差;

(4) 應(yīng)盡量選用鋼帶網(wǎng)套編制的金屬軟管。因?yàn)樗淖哉耦l率高, 一般在20~30 Hz, 遠(yuǎn)大于7Hz, 軟管和儲(chǔ)罐產(chǎn)生共振的可能性極小;

(5) 安裝時(shí), 不得強(qiáng)行拉壓扭轉(zhuǎn), 不得砸敲金屬軟管, 不應(yīng)采用強(qiáng)緊法蘭螺栓的辦法來(lái)消除安裝偏差;

(6) 金屬軟管上不得設(shè)置任何托架或支撐;

(7) 金屬軟管距地面或平臺(tái)的高度應(yīng)大于其橫向位移補(bǔ)償量;

(8) 對(duì)有保溫保冷要求的管線, 不得影響金屬軟管的正常工作。

本文結(jié)合實(shí)例, 對(duì)影響金屬軟管選型的各個(gè)因素進(jìn)行分析, 其中最為重要的是金屬軟管長(zhǎng)度的確定, 過(guò)長(zhǎng)和過(guò)短都會(huì)造成危害。除此之外比較了兩種金屬軟管的安裝方式, 得出Z型優(yōu)于L型安裝的結(jié)論。只有合理進(jìn)行金屬軟管的選型和安裝, 才能使其發(fā)揮應(yīng)有的作用, 從而保證儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行。