轴向位移是指软管长度方向上的位移。当金属软管内充满液体进行加压时, 会产生轴向推力, 随着压力的增加, 轴向推力增大, 由此引起软管轴向伸长, 当软管网套咬合到一定程度时, 轴向伸长停止。

横向位移是指垂直于软管方向上的位移。当管道产生横向位移时, 金属软管由于结构特点, 可以因横向力的作用产生横向位移, 其位移力远小于普通钢管的弹性力。

储罐与主要进出口管道的刚度比和质量比相差较大, 如果两者的基本自振频率相同或相近, 在地震作用下将会发生共振, 从而加重储罐的破坏, 所以金属软管的基本自振频率应高于储罐基本自振频率的50%[1]。储罐的自振频率计算公式如下:

式中f1———储罐基本自振频率, Hz;

T1———储罐基本自振周期, s;

r0———储罐体形系数;

hw———液面高度, m;

r1———底圈罐壁平均半径, m;

t1/3———液面高度1/3处的罐壁厚度, m (不包括腐蚀裕度) 。

注:式 (1.3.2) 为储罐梁式振动基本周期[2]的简化近似公式。

储罐体形系数的确定见表1。 (注:d1为底圈罐壁平均直径, m)

表1 储罐体形系数   

一般严格按照生产标准规范制造的金属软管, 其基本自振频率均高于10 Hz。当储罐的基本自振频率低于或等于7 Hz时, 可不考虑储罐和金属软管的共振影响。

金属软管在石化行业得到广泛应用, 但在应用中也存在一些问题, 主要是由于软管长度的选择和安装不当造成的。软管长度过长, 会引起系统的不稳定, 增加流体阻力、增加机械损伤及振动等问题;软管长度过短, 就达不到补偿、减振、消噪的目的。所以, 确定金属软管长度是首要工作。此外, 还应综合考虑以下因素:介质的性质, 操作温度, 操作压力, 连接管道的公称直径, 场地类别, 连接方式, 位移方式等。本文以该储罐出口管道为例。

表2 介质性质和操作参数     

金属软管主要用来补偿储罐的横向位移, 而轴向位移则通过金属软管的安装长度, 管线系统的合理布置来实现补偿。

金属软管的长度通过式 (2.3.1) 计算

式中L———金属软管的长度, mm;

Y———金属软管需补偿的横向位移, mm, 如表3所示;

R实际———金属软管满足补偿时的实际弯曲半径, mm, 如表4所示;

该储罐位于江苏省南京市, 地震烈度7度区, Y取值为100 mm, R最小根据经验值取20d为4000 mm, 考虑一次性弯曲的脉动荷载, R实际取5200 mm, 代入式 (2.3.1) 计算得1769, 确定选用L=1800 mm的金属软管。

表3 地震烈度与横向位移补偿量对照表    下载原表

表4 金属软管实际弯曲半径与最小弯曲半径之关系    下载原表

该储罐底圈罐壁平均直径d1=19.024 m, 液面高度hw=14.3 m, 液面高度1/3处的罐壁厚度t1/3=0.009 m, 将参数代入式 (1.3.1) 和式 (1.3.2) 计算得出该储罐基本自振频率为5 Hz, 低于7 Hz, 所以地震时不考虑共振问题。

综上, 该储罐出口管道金属软管的选型为PN2.0-DN200-WN-304SS, L=1800 mm。

金属软管正确安装是确保其性能充分发挥的重要环节。金属软管通常安装在罐进出口管道根部阀之后, 金属软管之后也有阀门, 使储罐与管道直接形成软连接, 便于金属软管的检修和更换。金属软管在自然状态下补偿轴向位移能力有限, 当安装长度等于自然长度时, 必然不能承受强大的轴向拉伸而产生断裂, 从而导致管路泄漏。因此金属软管的安装长度要小于自然长度, 以保证一定的自由度。金属软管的安装示意图如图1所示。

图1中, L为金属软管长度, Smin为最小安装位移, Smin取决于金属软管的大小, 结构, 管径, 补偿量和长度, 常用式 (3.1.1) 进行估算。

图1 金属软管安装示意图  

式中系数a通过表5选取。

表5 系数a的选取     

由于金属软管主要吸收系统产生的横向、轴向位移, 除了安装时保证金属软管的自由度, 还可以通过管道的布置来吸收, 常见的配管方式有两种, L型 (见图2) 和Z型安装 (见图3) 。L型安装较常见, 整体布局整洁美观, 减少了管道长度, 降低流体阻力, 但管道所产生的轴向应力将作用在金属软管和储罐管嘴上, 这样缩短了软管、阀门的使用寿命, 同时也会损坏管嘴, 造成油品泄漏。Z型安装虽增加了管道长度和弯头数量, 但管系的轴向位移可以由其自身吸收, 减少对金属软管和管嘴的轴向应力, 延长使用寿命, 也有利于管系的稳定。

从安全角度和使用寿命角度考虑, Z型安装优于L型, 所以在平面位置允许的情况下优先选择Z型安装。

(1) 安装前必须对金属软管进行检查, 发现问题及时消除;

图2 金属软管L型安装图3金属软管Z型安装   下载原图

(2) 在吊装过程中, 要有防止金属软管损伤的措施;

(3) 金属软管后应加装短接管, 以补偿软管空档尺寸的偏差;

(4) 应尽量选用钢带网套编制的金属软管。因为它的自振频率高, 一般在20~30 Hz, 远大于7Hz, 软管和储罐产生共振的可能性极小;

(5) 安装时, 不得强行拉压扭转, 不得砸敲金属软管, 不应采用强紧法兰螺栓的办法来消除安装偏差;

(6) 金属软管上不得设置任何托架或支撑;

(7) 金属软管距地面或平台的高度应大于其横向位移补偿量;

(8) 对有保温保冷要求的管线, 不得影响金属软管的正常工作。

本文结合实例, 对影响金属软管选型的各个因素进行分析, 其中最为重要的是金属软管长度的确定, 过长和过短都会造成危害。除此之外比较了两种金属软管的安装方式, 得出Z型优于L型安装的结论。只有合理进行金属软管的选型和安装, 才能使其发挥应有的作用, 从而保证储罐的安全运行。