一种基于膨胀节补偿的火炬管线柔性系统的制作方法

本实用新型涉及能源化工装置的火炬管线柔性补偿技术，具体说的是一种基于膨胀节补偿的火炬管线柔性系统。

背景技术：

火炬系统的组成通常由火炬气分液罐、火炬气水封罐、火炬、火炬管线四个部分组成。火炬系统的主要作用是将能源化工生产装置在正常生产、开/停车以及事故状态下排放出的可燃、有毒气体，通过火炬设施收集并将其安全地燃烧掉，确保装置的安全并减少排放气体对大气环境的污染。火炬系统的管网是排放装置安全运行的基础，即火炬管线是能源化工装置的最后一道防线，它的安全和可靠性至关重要。

由于要将排放气体输送到装置外的安全区域燃烧排空，火炬管线长度一般有几百米甚至几千米。能源化工装置放空火炬管内介质成分复杂、流速高。火炬管线一般采用架空敷设，与工艺、公用蒸汽管道等一起布置，共架敷设。火炬管线受到较大范围的操作温度、压力及这种宽范围操作条件所引起的应力变化作用的影响，管线受力复杂。火炬管线除了受到压力温度变化所引起的应力外还有阀门开闭、管内凝液对管网产生的冲击力，因此火炬管线的固定、导向和支撑系统的设计较为复杂。能源化工装置规模大、排放量大，相应的火炬管线直径大，刚性大，因此降低管道应力，满足管道的柔性要求和稳定性要求，提高管道及其支架的抗冲击振荡能力，保证系统安全，对火炬管线进行冷、热变形柔性补偿是必要的。目前常用的方法是采用π型弯自然补偿来解决热膨胀产生的应力和变形，即主要是依靠管道材料的自然弹性变形来吸收热膨胀。随着国家多个“炼化一体化”基地规划的落地，石油化工、煤化工等石化及后衍生产装置更加呈现出生产规模扩大、联建联产和公用工程集中供应的特点，火炬管线直径越来越大，最大直径达到φ3m,由于管道直径较大，所述的π型弯补偿其弯管的侧向伸出通常要达到100~120米左右，经济上不仅耗费了大量的原材料，而且占有了大量的土地，同时还需要使用大量的钢结构支撑来约束管道的收缩变形，投资成本高；在安全稳定性方面，如图1所示，采用π型弯补偿，管道压降大，管道应力高的部位多，支架受力大，管道的柔性和可靠性低。因此大口径火炬管线的布置设计难度大，已经形成了石油石化设计领域的难题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于膨胀节补偿的火炬管线柔性系统，解决大型能源化工装置火炬管线的布置设计难题，提高火炬管线的安全可靠性，同时降低投资，提高火炬管线系统的经济性30%以上。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种基于膨胀节补偿的火炬管线柔性系统，包括架空敷设的火炬总管、反应装置和分液罐，反应装置和分液罐连接在火炬总管上，火炬总管由直管段和拐弯管段组成，系统还包括防爆直通式外压直管压力平衡膨胀节和万向铰链拉杆复合型膨胀节，直管段的柔性补偿选用防爆直通式外压直管压力平衡膨胀节，拐弯管段的柔性补偿选用万向铰链拉杆复合型膨胀节；

所述的防爆直通式外压直管压力平衡膨胀节的平衡波纹管靠近其内侧设有平衡波纹管防爆支撑芯筒；

所述的万向铰链拉杆复合型膨胀节包括带中间管的两组波纹管、两套单式万向铰链组件和多个拉杆组件，两套单式万向铰链组件和多个拉杆组件固定设置在带中间管的两组波纹管的外侧，两套单式万向铰链组件的两端和多个拉杆组件的两端分别与带中间管的两组波纹管的两端端管组件连接，两组波纹管上套设有均衡环。

直管段的两端设置中间固定管架，在靠近防爆直通式外压直管压力平衡膨胀节的位置至少设置三个导向管架。

拐弯管段为l型管段或z型管段。

用于火炬管线直管段补偿的防爆直通式外压直管压力平衡膨胀节，因为排放介质具有腐蚀性，选用外压波纹管，火炬排放间隙，波纹管表面不与可能存在的凝液接触，可以提高其耐蚀性能；同时为提高其安全性，其波纹管的外压周向稳定性需要根据直径的大小，进行拉伸位移状态的位移-压力稳定性试验，以确定其外压周向稳定性安全系数，满足火炬管线排放的安全可靠性。

用于火炬管线拐弯管段补偿的万向铰链拉杆复合型膨胀节，主要安装在火炬管线进出分液罐、水封罐的拐弯管段，其波纹管选用均衡环加强的内压加强u形波纹管，膨胀节的受力结构件为万向铰链和复式拉杆两副受力构件，受力结构件的双保险可以提高其抗内部介质的冲击震荡能力，可以大大提高火炬介质高流速排放条件下的管道安全可靠性。

用于火炬管线补偿的防爆直通式外压直管压力平衡膨胀节和万向铰链拉杆复合型膨胀节是针对火炬管线的特点特殊设计的，与其他领域的膨胀节设计要求不同，能够保障火炬管线的安全可靠性。

本实用新型有益效果是：

1、火炬管线采用膨胀节进行柔性补偿能有效降低管道应力和管道支架载荷，提高管网的安全可靠性，采用膨胀节补偿可以使介质在直管段直通式排出，可以有效降低管道直径，采用膨胀节补偿比π弯补偿可以降低建造成本30～40%，同时方便火炬管线与其它公用工程管道共架敷设，可以减少现场吊装、焊接、无损检测等施工作业量，减少水压试验用水和占地面积等资源的消耗，火炬管线采用此种膨胀节补偿的柔性系统在经济性方面优势显著。

2.本实用新型的防爆直通式外压直管压力平衡型膨胀节能够抵御3倍以下的设计压力而不产生爆破泄漏。带有均衡环保护的万向铰链拉杆复合型膨胀节，与普通的复式拉杆型膨胀节相比，在两组加强u形波纹管外部又增加了两套单式万向铰链受力构件，两套受力结构件都能满足膨胀节补偿横向位移，当其中一种受力构件失效时，另外一副受力结构件可以继续发挥补偿作用，约束波纹管产生的压力推力，形成受力构件的双保险。直管段采用防爆直通式外压直管压力平衡型膨胀节补偿，拐弯管段采用带有均衡环保护的万向铰链拉杆复合型膨胀节补偿，能够更好的满足火炬管线排放介质流速高、抗冲击震荡能力强、排放可靠等要求。

附图说明

图1为现有技术的结构示意图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图3为本实用新型的直管段结构原理图；

图4为本实用新型的l型管段结构原理图；

图5为本实用新型的z型管段结构原理图；

图6为本实用新型的防爆直通式外压直管压力平衡膨胀节结构示意图；

图7为本实用新型的万向铰链拉杆复合型膨胀节结构示意图；

图中：1、主反应装置，2、火炬总管，3、导向管架，4、防爆直通式外压直管压力平衡膨胀节，5、中间固定管架，6、反应装置a，7、反应装置b，8、反应装置c，9、万向铰链拉杆复合型膨胀节，10、分液罐，11、水封罐，12、火炬头，13、平面导向管架，21、直管段，22、拐弯管段，01、端管，02、平衡波端环组件03.工作波端环组件，04、平衡波纹管，05、外管组件，06、平衡波纹管接管，07、平衡波接管支撑环板，08、工作波纹管，09、工作波纹管外管，010、导流筒a，011、平衡波纹管防爆支撑芯筒，012、芯筒加强筋，013、端管组件，014、螺母，015、球面垫圈，016、锥面垫圈，017、均衡环，018、波纹管，019、拉杆，020、中间管，021、导流筒b，022、长铰链板，023、长铰链板固定立板，024、销轴，025、销轴挡圈，026、万向环，027、短铰链板。

具体实施方式

如图2所示，一种基于膨胀节补偿的火炬管线柔性系统，包括架空敷设的火炬总管2、反应装置和分液罐10，反应装置和分液罐10连接在火炬总管2上，反应装置可根据需要设置多个，反应装置排出的介质进入火炬总管2，经火炬总管2进入分液罐10内，火炬总管2由直管段21和拐弯管段22组成，系统还包括防爆直通式外压直管压力平衡膨胀节4和万向铰链拉杆复合型膨胀节9，直管段21的热位移由防爆直通式外压直管压力平衡膨胀节4来补偿，拐弯管段22的热位移由万向铰链拉杆复合型膨胀节9来补偿。

如图6所示，所述的防爆直通式外压直管压力平衡型膨胀节，相比现有技术的普通结构，增加了平衡波纹管防爆支撑芯筒011及其芯筒加强筋012，其它结构均与现有技术一致。

外压波纹管在工作状态下，波纹管外部充满介质，超温、超压等异常工况下，其失效模式为外压周向失稳，目前国内外膨胀节标准仅对内压波纹管爆破试验方法和评定结果进行的规定。因为平衡波纹管在外压状态下，平衡波纹管失稳后向内腔变形，呈现多种形态，如不加以限制，在压力的持续作用下，变形超过一定程度，就会发生破裂。本实用新型是利用波纹管的薄壁元件特性，在平衡波纹管04内侧靠近其内径设置平衡波纹管防爆支撑芯筒011及其芯筒加强筋012，对其受外压的平衡波纹管向内变形进行限定，使平衡波纹管不会在3倍以下的设计压力作用下产生爆破撕裂，工作波纹管08因其内径距离膨胀节端管01的距离较近，可以起到保护作用，外压轴向膨胀节的结构与其一致，多年的外压轴向膨胀节的安全应用，已证明了其安全性。因此该型膨胀节具有抵御3倍以下设计压力的防爆泄漏功能，火炬排放时膨胀节导流筒a010遮蔽膨胀节内部结构间隙，使介质从膨胀节内部直通式通过。

如图7所示，万向铰链拉杆复合型膨胀节与普通的复式拉杆型膨胀节相比，在两组加强u形波纹管外部又增加了两套单式万向铰链受力构件，两套受力结构件都能满足膨胀节补偿横向位移，当其中一种受力构件失效时，另外一种可以发挥同样的的作用，约束波纹管产生的压力推力，形成受力构件的双保险。本膨胀节由中间管020、波纹管018、端管组件013组成，中间管020的两端连接有波纹管018的一端，波纹管018的另一端连接端管组件013，火炬管线排放时，介质流速高，尤其在拐弯部位，对管线的冲击力较大，对膨胀节的安全可靠性更高。为此，本实用新型对火炬管线拐弯处进行横向位移补偿的设计了两套承力结构，万向铰链拉杆复合型膨胀节将复式拉杆和两个单式万向铰链型膨胀节结构进行组合，

两套单式万向铰链组件（包含短铰链板027、万向环026、销轴024、长铰链板022和长铰链板的固定立板023）和多个复式拉杆组件（包含拉杆019、球锥面垫圈015和016、螺母014）固定设置在带中间管的两组波纹管外侧，两套单式万向铰链组件的两端和复式拉杆组件的两端分别与两组波纹管的两端端管组件013连接，内压直管压力平衡膨胀节的波纹管018上套设有均衡环017，这种组合结构不仅能够保证火炬管线产生的横向位移的有效吸收，而且可以大大提高膨胀节的安全可靠性。

针对火炬管线柔性补偿系统新实用新型的防爆直通式外压直管压力平衡型膨胀节和带有均衡环保护的万向铰链拉杆复合型膨胀节能够更好的满足火炬管线排放介质流速高、抗冲击震荡能力强、排放可靠等要求。

根据火炬管线的特点，防爆直通式外压直管压力平衡型膨胀节波纹管4采用外压“u”形多层结构，万向铰链拉杆复合型膨胀节9的波纹管采用加强“u”形多层结构。

如图3所示，直通式外压直管压力平衡型膨胀节4应用于火炬管线直管段的补偿，且直管段两端设置中间固定管架，在靠近膨胀节的位置至少应设置3个导向管架，保证施加于膨胀节的位移方向与最初设计相吻合。导向支架的间距参照gb/t12777-2019附录e执行。

如图6所示，采取必要措施避免膨胀节因积液造成水锤冲击，可采用外部保温或敷设伴热系统，亦可设置积液排放口，及时清除内部凝液，清理完成之后通过排水排凝螺塞堵塞。

如图4、图5所示，拐弯管段为l型管道或z型管道。如图4所示，该拐弯管段用于短管腿长度与万向铰链拉杆复合型膨胀节长度接近的“l”形管段，如图5所示，拐弯管段用于中间管腿长度与万向铰链拉杆复合型膨胀节长度接近的平面“z”形管段。

化工装置在开停车、突发事件等事故状态下，如图2所示，主反应装置1以及其他反应装置a6、反应装置b7、反应装置c8中的化工反应物质紧急放空，进入到火炬总管2中，经分液罐10、水封罐11排放到火炬头12燃烧排空，保证生产装置的系统稳定和安全，防止超压事故发生。排放过程中，火炬总管2温度升高，火炬总管2的长直管段的热涨量由直通式外压直管压力平衡型膨胀节4吸收，在火炬总管2进出分液罐10的管线拐弯管段，由万向铰链拉杆复合型膨胀节9补偿，吸收管线的热位移，降低管道的热应力，保护装置安全。

火炬系统是易燃、易爆和硫化氢中毒等事故的易发部位，如果采用传统的迂回曲折的π型弯补偿方式也可以满足柔性要求，但π型弯补偿时，管道系统弯头大量存在，排放时，高速流动的介质在火炬总管中频繁变动流动方向，流动阻力大，对每个弯头部位都会产生较大的冲击力，当存在气液两相流时甚至会产生水锤现象，火炬气放空时可能会因阻力增大形成冲击而导致放空管系的震荡或失稳。采用图2膨胀节补偿的柔性火炬管线系统，直管段采用直通式的外压直管压力平衡型膨胀节4，使火炬总管2能够按照直线布设，降低大口径火炬管线的设计难度，有利于保证放空介质畅通排出，可以减少管道的当量长度，减少管道的压力降，可以减小火炬总管的直径；在火炬总管2进出分液罐10的拐弯管段，采用带均衡环的万向铰链拉杆复合型膨胀节9进行补偿。整个火炬总管2采用直通式的外压直管压力平衡型膨胀节4和带均衡环的万向铰链拉杆复合型膨胀节9两种约束型膨胀节进行补偿可以有效保证管道的柔性和安全可靠性，采用此方案补偿，管线中没有大量的弯头存在，有利于火炬气顺利排空，可以提高火炬管线的安全可靠性。同时方便火炬管线与其他公用工程管线共架敷设，减少占地面积和施工成本，实际案例证明采用上述的膨胀节柔性补偿方案比传统的π弯补偿可以降低建造成本30～40%，经济效益显著。

本柔性补偿系统中，火炬总管的走向不限于本示例，根据装置的布置和规模可以有多种走向，但其直管段和拐弯管段的膨胀节补偿选型不变。用于火炬管线补偿的防爆直通式外压直管压力平衡膨胀节和万向铰链拉杆复合型膨胀节是针对火炬管线的特点特殊设计的，与其他领域的膨胀节设计要求不同，能够保障火炬管线的安全可靠性。