軸向位移是指軟管長度方向上的位移。當金屬軟管內充滿液體進行加壓時, 會產生軸向推力, 隨著壓力的增加, 軸向推力增大, 由此引起軟管軸向伸長, 當軟管網套咬合到一定程度時, 軸向伸長停止。

橫向位移是指垂直于軟管方向上的位移。當管道產生橫向位移時, 金屬軟管由于結構特點, 可以因橫向力的作用產生橫向位移, 其位移力遠小于普通鋼管的彈性力。

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

式中f1———儲罐基本自振頻率, Hz;

T1———儲罐基本自振周期, s;

r0———儲罐體形系數;

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) 為儲罐梁式振動基本周期[2]的簡化近似公式。

儲罐體形系數的確定見表1。 (注:d1為底圈罐壁平均直徑, m)

表1 儲罐體形系數   

一般嚴格按照生產標準規范制造的金屬軟管, 其基本自振頻率均高于10 Hz。當儲罐的基本自振頻率低于或等于7 Hz時, 可不考慮儲罐和金屬軟管的共振影響。

金屬軟管在石化行業得到廣泛應用, 但在應用中也存在一些問題, 主要是由于軟管長度的選擇和安裝不當造成的。軟管長度過長, 會引起系統的不穩定, 增加流體阻力、增加機械損傷及振動等問題;軟管長度過短, 就達不到補償、減振、消噪的目的。所以, 確定金屬軟管長度是首要工作。此外, 還應綜合考慮以下因素:介質的性質, 操作溫度, 操作壓力, 連接管道的公稱直徑, 場地類別, 連接方式, 位移方式等。本文以該儲罐出口管道為例。

表2 介質性質和操作參數     

金屬軟管主要用來補償儲罐的橫向位移, 而軸向位移則通過金屬軟管的安裝長度, 管線系統的合理布置來實現補償。

金屬軟管的長度通過式 (2.3.1) 計算

式中L———金屬軟管的長度, mm;

Y———金屬軟管需補償的橫向位移, mm, 如表3所示;

R實際———金屬軟管滿足補償時的實際彎曲半徑, mm, 如表4所示;

該儲罐位于江蘇省南京市, 地震烈度7度區, Y取值為100 mm, R最小根據經驗值取20d為4000 mm, 考慮一次性彎曲的脈動荷載, R實際取5200 mm, 代入式 (2.3.1) 計算得1769, 確定選用L=1800 mm的金屬軟管。

表3 地震烈度與橫向位移補償量對照表    下載原表

表4 金屬軟管實際彎曲半徑與最小彎曲半徑之關系    下載原表

該儲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, 將參數代入式 (1.3.1) 和式 (1.3.2) 計算得出該儲罐基本自振頻率為5 Hz, 低于7 Hz, 所以地震時不考慮共振問題。

綜上, 該儲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揮的重要環節。金屬軟管通常安裝在罐進出口管道根部閥之后, 金屬軟管之后也有閥門, 使儲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下補償軸向位移能力有限, 當安裝長度等于自然長度時, 必然不能承受強大的軸向拉伸而產生斷裂, 從而導致管路泄漏。因此金屬軟管的安裝長度要小于自然長度, 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為金屬軟管長度, Smin為最小安裝位移, Smin取決于金屬軟管的大小, 結構, 管徑, 補償量和長度, 常用式 (3.1.1) 進行估算。

圖1 金屬軟管安裝示意圖  

式中系數a通過表5選取。

表5 系數a的選取     

由于金屬軟管主要吸收系統產生的橫向、軸向位移, 除了安裝時保證金屬軟管的自由度, 還可以通過管道的布置來吸收, 常見的配管方式有兩種, L型 (見圖2) 和Z型安裝 (見圖3) 。L型安裝較常見, 整體布局整潔美觀, 減少了管道長度, 降低流體阻力, 但管道所產生的軸向應力將作用在金屬軟管和儲罐管嘴上, 這樣縮短了軟管、閥門的使用壽命, 同時也會損壞管嘴, 造成油品泄漏。Z型安裝雖增加了管道長度和彎頭數量, 但管系的軸向位移可以由其自身吸收, 減少對金屬軟管和管嘴的軸向應力, 延長使用壽命, 也有利于管系的穩定。

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

(1) 安裝前必須對金屬軟管進行檢查, 發現問題及時消除;

圖2 金屬軟管L型安裝圖3金屬軟管Z型安裝   下載原圖

(2) 在吊裝過程中, 要有防止金屬軟管損傷的措施;

(3) 金屬軟管后應加裝短接管, 以補償軟管空檔尺寸的偏差;

(4) 應盡量選用鋼帶網套編制的金屬軟管。因為它的自振頻率高, 一般在20~30 Hz, 遠大于7Hz, 軟管和儲罐產生共振的可能性極小;

(5) 安裝時, 不得強行拉壓扭轉, 不得砸敲金屬軟管, 不應采用強緊法蘭螺栓的辦法來消除安裝偏差;

(6) 金屬軟管上不得設置任何托架或支撐;

(7) 金屬軟管距地面或平臺的高度應大于其橫向位移補償量;

(8) 對有保溫保冷要求的管線, 不得影響金屬軟管的正常工作。

本文結合實例, 對影響金屬軟管選型的各個因素進行分析, 其中最為重要的是金屬軟管長度的確定, 過長和過短都會造成危害。除此之外比較了兩種金屬軟管的安裝方式, 得出Z型優于L型安裝的結論。只有合理進行金屬軟管的選型和安裝, 才能使其發揮應有的作用, 從而保證儲罐的安全運行。