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摘要：随着经济的不断发展，对各行各业的相关要求逐渐提高，化工管道作为化工企业工程设计中的重要组成部分，在对其进行设计的时候会涉及到自然补偿法。本文主要探究化工管道设计中的自然补偿法。
关键词：化工管道；管道设计；自然补偿法
管道使用过程中，环境温度和输送介质变化是不可避免的，需要采取必要的补偿措施对该尺寸变化进行补偿，作用于管道支撑结构和设备上。温差增加到一定程度，需要采取必要的热补偿控制温差，在热补偿设计中，自然补偿是最为安全可靠和经济的方法。
1化工管道设计中的自然补偿法
化工管道在使用时，如果不对其进行支撑和限制，随着环境温度的升高，化工管道就会发生热胀冷缩的现象，进而发生严重的变形。而当化工管道进行自然收缩时，不会给设备或者是其他的部件造成热应力的影响。但是当化工管道受到一定的支撑和限制时，就不会发生自然收缩的现象。能起到支撑和限制作用的主要为支撑框架、相连接的设施以及其他部件等。因此当环境温度发生较大的变化时，热应力也会随之产生，并影响支撑和限制化工管道的框架以及设备，从而使得化工管道以及相连接的设施发生故障而不能进行正常的运作，甚至还会引发非常严重的安全事故。因此为了避免热应力的出现，就必须将化工管道的柔性进一步增强，从而避免由于环境温度变化使得化工管道形成热应力，进而对化工管道、支撑框架以及相连接的设施造成不良的影响。
在化工管道设计的过程中，首先要将其设备的布置流程进行优化，再优化化工管道的布局。只有当布置流程设计完成后才能对化工管道进行安装，然后根据管路的走向来分析应力。补偿设计一般有两种方法，一种是使用补偿设备，一种是自然补偿法。后者由于具有结构简单、补偿效果好、成本低以及使用可靠等优点，因此在进行补偿设计时一般都使用这种方法。
2管道自然补偿
自然补偿是指利用管道本身自然弯曲所具有的弹性，来吸收管道的热变形或者其他变形位移的补偿方式。当弯管转角＜150°时，能用作自然补偿；＞150°时，不能用作自然补偿。自然补偿的管道臂长一般不应超过25m，弯曲应力σbw不应超过80MPa。化工管道设计中，常用的管道自然补偿方式有：L形直角弯、Z形折角弯、π形弯。
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管道的热伸长量按ΔL=Lα（t2-t1）进行计算，式中，
ΔL——管道热伸长量（cm）；
L——计算管长（m）；
α——管道的线膨胀系数[cm／（m．℃）]；
t2——管道内介质温度（℃）；
t1——管道设计安装温度（℃），可取用20℃。
2.1L形自然补偿
L形直角弯是自然补偿中最简单的形式，主要是利用一个弯头组成的转弯形成的补偿形式。其短臂长度l可按式l=1.1（ΔLDW/300）1/2进行计算，其中l——L形自然补偿短臂长度（m）；
ΔL——长臂L的热伸长量（mm）；
DW——管道外径（mm）。
2.2Z形自然补偿
Z形折角弯也是自然补偿中较为常用的一种方式，主要是利用二个弯头组成的转弯形成的补偿形式。其短臂长度l可按下式进行计算。
l={6ΔLEDW/107[σbw]（1+1.2n）}1/2
式中l——Z形自然补偿短臂长度（m）；
ΔL——（L1+L2）的总热伸长量（mm）；
E——管道材料的弹性模量（MPa）；
Dw——管道外径（mm）；
[σbw]——弯曲应力（MPa），采用[σbw]≤80MPa；
n——等于（L1+L2）/L1，且L1＜L2。
平面Z型仅有二个方向位移和推力，靠两水平臂的变形补偿吸收垂直臂变形产生的应力，水平臂越长其补偿能力越大。水平臂的变形产生的应力由垂直臂的变形吸收，同样垂直臂越长其补偿能力越大，但两水平臂的补偿能力也必须提高，因此两水平臂和垂直臂的长度要相适宜，才能取得最佳的补偿效果。Z型自然补偿也可以设计成立体的，立体Z型可以同时利用管段的径向和扭转变形吸收其相邻管段的热伸长，因而其补偿性能较平面Z型要好。
2.3π形弯自然补偿
π形弯是自然补偿中最为常见的补偿方式。它主要是利用四个或六个弯头组成，π形自然补偿可水平布置，也可立体布置。为不影响其他管道的布置，π形补偿大多采用立体布置。当有两个或两个以上的π形补偿时，应尽量统一和集中设置，管径较大、温度较高需要较大补偿量的管道设置在外侧，管径较小，温度相对较低的管道设置在内侧。
π形自然补偿应设在两固定支架之间，且在两固定架中间位置为最佳，如果不能满足此条件，它与固定点的间距应尽可能的小，一般不超过两个固定点间距的三分之一。π形自然补偿的两侧宜设导向支架。水平管道上π形补偿与导向支架的间距宜为（32～40）DN，DN为管道公称直径。
3化工管道设计中的自然补偿法增强措施
3.1增加柔性
化工管道设计中的自然补偿法对其柔性具有非常高的要求和标准，因为较高的柔性能够避免化工管道发生变形，即便是发生了变形也能将其控制在干弹性的状态之中，从而使其不会发生塑性的变形。另外针对化工管道中的平面管系，可以通过伸长远离固定框架的化工管路来延长其长度。同时可以通过使用没有热膨胀或者是只有少量热膨胀的化工管道来增加其柔性。
3.2优化布置
通过改变限制化工管道的条件也能够达到增强化工管道自然补偿作用的目的。在热应力比较大的局部区域内，可以通过安装具有弹性的支撑吊架、框架的限位吸收、热应力的分散等方法来降低其引力变形的效应。另外当管线没有发生较大程度的位移时，为了避免化工管道发生较大的变形，远距离的化工管路就需要依靠框架的固定点来进行分解，从而使其能够形成个体的比较简单的管系。同时还要在容易受到震动、冲击或是需要进行限制位移的部位安装固定框架。
3.3设备布置
当常规的化工管道设计中的自然补偿法不能有效的减少由于环境温度变化而引起的应力变形时，就需要通过布置设备来加以保护，从而确保化工管道的安全性以及设备的安全性。另外在设备布置的过程中，还要尽量防止化工管道的热应力超出限制的问题，特别是针对自然补偿法，应尽可能做到一次性补偿化工管道的热应力变形。
4结束语
在实际工程设计中，各种复杂的管系均可通过设置固定管架将其分段成简单管系（L形、Z形和π形），确定好固定支架的间距，计算固定支架间距的热伸长量，然后进行配管设计。
参考文献
[1]蔡文婷.化工管道设计中常用的自然补偿法探究[J].工程技术：引文版，2016（8）：00259.
[2]孙亚春.管道柔性设计-自然补偿浅谈[J].化学工程与装备，2014（1）：96-100.
论文作者:张申
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第20期
论文发表时间:2017/12/29
标签：管道论文; 自然论文; 化工论文; 应力论文; 柔性论文; 发生论文; 设备论文; 《建筑学研究前沿》2017年第20期论文;