汽车制造业输油工业管道中膨胀压力问题的分析与解决
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摘要：工业管道是企业能源物质输送的命脉，是企业的生产、生活不可或缺的传导设备，各种工业管道纵横交错，阀门、接头种类复杂繁多，所处环境恶劣。工业管道所承载介质的温度、压力、粘度、腐蚀性等物理化学性质关系到工业管道前期的设计及投入后的使用寿命。特别在北方地区，冬季夏季温差大，室外工业管道的设计尤其重要，既要考虑工业管道的工艺设计参数，又要考虑到冬季管道内介质凝固问题，因此在北方地区，室外的工业管道常安装在地沟内，地沟深度根据当地冻土层厚度而定（长春最大冻土层深度为169cm），有些地沟内设置采暖水伴热系统，保证地沟内温度，防止工业管道出现冻裂现象。本文就工业管道膨胀压力上升进行分析，并针对有伴热系统的工业管道由于热膨胀原理导致工业管道内压力上升的问题分析并制作解决措施，防止工业管道压力上升超过设计压力而造成压力管道破损或压力过高损伤设备等故障的发生。
关键词：工业管道;膨胀压力;泄压装置
在压强增大时，流体就会被压缩，导致体积减小，密度增大;而受热后温度上升时，流体的体积就会增大，密度会减小，这种现象称为流体的压缩性和热胀性。对于液体来说这两种变化都非常小，通常是可以忽略不计的。但当工业管道达到饱和压力后处于封闭状态，当温差变化较大时，工业管道内压力上升就会较大，这种现象对工业管道及管道上各部件造成的损伤是不可忽略不计的。
本文将对工业生产中使用的可兰素液体进行热胀性分析，采用理论与实验相结合方法，探究工业管道内液体的热胀性与液体本身的物理化学性质的关系。本文所得成果只局限于密闭空间液体压力与温度之间的关系，并将应用于间歇性输送工业管道设计及设备维护中。
一、工业管道膨胀压力的现状
（一）工业管道膨胀压力问题简述
在汽车生产制造过程中，是需要各类油品、可兰素、玻璃水等液体，油品的输送有严格的防火要求，通常采用气动泵作为动力源进行油品传输。其末端设备设有储液箱，并配有液位控制器。当液位到达下限位时，储液箱自动阀门开启进行补液;当液位到达上限位时，储液箱自动阀门关闭停止补液。这时工业管道在气动泵的作用下达到饱和压力，气动泵停止工作，管道保压。此时在伴热管路的作用下，工业管道内介质温度上升，由于液体具有热胀性，导致压力随之升高，甚至超过工业管道的设计压力，严重影响工业管道及气动泵的使用寿命。其中以可兰素的热胀性特别明显，本章将以可兰素为代表性液体进行膨胀压力的现状描述。
（二）可兰素输送管路系统介绍
1.可兰素系统原理图
2.可兰素系统介绍
（1）可兰素输送管路采用不锈钢管，规格：DN40，由气动隔膜泵作为动力源输送可兰素，压缩比例1∶1，压缩空气压力为0.58–0.65Mpa之间，由调节阀调节压缩空气压力至0.3–0.4Mpa。
（2）可兰素输送管路总长度为190米，共由三部分组成，其中油库内部可送管道长度为10米，地沟内管道长度为60米，总装车间厂房内管路长度为120米。地沟内管道进出口处均装有蝶阀，在系统图中为1#、2#蝶阀。
（3）地沟内部铺设采暖水伴热管路，规格：DN50，材料：不锈钢管。伴热管道内水温度为60–70℃，伴热后地沟内温度可达到40℃。
（4）当方形储液箱液位低于30%时，自动阀门开启，开始对方形储液箱补液，液位到达70%时，自动阀门关闭停止补液，可兰素输送管道系统压力稳压0.3–0.4Mpa之间，气动隔膜泵停止工作。
3.可兰素系统膨胀压力现象
（1）当输送管路稳压0.3至0.4Mpa后，气动隔膜泵停止工作，压力表示数为0.35Mpa。稳压约30分钟，压力表示数逐步上升至2.2Mpa。
（2）升压过程中，刚开始升压速度较慢，随后升压速度逐步加快。如不进行泄压，压力上升至2.2Mpa后，稳定压力。
二、工业管道膨胀压力的危害
（一）对设备的危害
1.对隔膜泵的危害。工业管道膨胀压力会对管道泵、压力表等部件造成损伤。在油库内使用的泵为气动隔膜泵，当管道保压后，隔膜泵隔膜两侧的压力相同，隔膜泵停止工作。当管道在膨胀压力的作用下管道压力上升，致使隔膜单侧压力上升，隔膜两侧压力失衡，液体侧压力高于气体侧，当压差超过一定值后，就会造成隔膜击穿现象，隔膜泵损坏。
2.对压力表的危害。工业管道压力表选用规程，压力表量程一般为设计压力的1.5—2倍。就上述可兰素问题，压力表原选用0.6Mpa量测的压力表，在管路膨胀压力的作用下，超过压力表的量程，造成压力表损坏，无法使用。出现故障后选用量程为2.5Mpa的压力表进行监测。
3.对末端设备的危害。工业管道末端设备选用上通常选用耐压为设计压力的1.5倍，但膨胀压力通常为设计压力的数倍甚至数十倍，对末端设备的耐压情况提出严控的考验，轻则造成末端设备微渗问题，重則毁坏设备无法修复。
（二）对工业管道的危害
1.对管道的危害。工业管道耐压一般为设计压力的1.5倍，当膨胀压力过高时会将管路击穿，造成渗漏问题或者造成管路破裂，无法修复，影响企业正常生产经营，甚至会出现安全事故。
2.对管件的危害。工业管道在膨胀压力的作用下，管道连接处会出现渗漏问题。法兰连接部位造成法兰垫破损;阀门造成损害，关闭不严等问题。
（三）对操作人员的危害
工业管道在膨胀压力的作用下导致阀门部件破裂，连接件飞出情况，存在安全隐患。特别在气体压力管道上特别明显，这是由于气体可压缩性强。升高同等压力，气体比液体能力升高更多，含有的能力更多，管道破裂后造成的迫害性越强。
以上是工业管道膨胀压力的危害，现场中要注意观察管道压力变化，最好追踪监控，将压力控制在合理范围，保证工业管道正常运行，避免膨胀压力对企业安全生产经营造成影响。 三、工业管道膨胀压力的消除方法
（一）工业管道膨胀压力的原因分析
1.工业管道膨胀压力–设备上的原因
（1）设备采用隔膜泵供给输送方式，会出现不连续输送情况，低于设定下限液位时，隔膜泵启动作业，达到上限液位时，隔膜泵停止工作，管道压力维持恒定，进入保压状态，因此造成工业管道密闭和具有初始压力。
（2）油库内部的储液罐未安装加热装置，冬季时储液罐内部的液位温度较低，进入管道后有伴热管路，导致对液体进行加热，因此产生液体温度上升，出现膨胀压力现象。
（3）工业管道上没有泄压装置，当压力超过管路设定压力时，无法进行泄压排放，这样介质出现热膨胀后，压力无法释放，工业管道就会产生膨胀压力现象。
2.工业管道膨胀压力–介质上的原因。工业管道内部输送介质的热膨胀性较大，明确输送介质的热膨胀性可以通过实验进行确认，将1升的液体按照0.2MPa的压力加入到DN50的管路中;初始液体及管路温度为10℃，对管路进行加热，使液体和管道共同达到40℃时，查看管道压力上升情况，如压力上升超过0.3Mpa，则认定为该液体热膨胀性较大，在工业管道运行使用过程中需要考虑液体的热膨胀性。
3.工业管道膨胀压力–输送方式上的原因。工业管道输送介质过程中，一般分为供给式输送、抽取式输送或者两者相结合使用。采用供给式输送时，管路内形成正压力，采用抽取式输送时，管路内形成负压力。工业管道采用供给式输送并且是非连续型输送，工业管道运行过程存在保压阶段，这样液体膨胀所产生的压力无法进行释放，就会产生膨胀压力情况。
4.工业管道膨胀压力–环境上的原因。工业管道用于输送介质，由于介质的温度变化导致产生膨胀压力情况。冬季时室外温度较低，运送到油库的液体油品等温度较低，输送到工业管道后进行加热，导致介质温升较大，这样就会产生较大的热膨胀，出现膨胀压力情况。
（二）工业管道膨胀压力的消除方法
1.工业管道输送方式优化。将供给型输送管道改造为抽取式输送管道，确保管道处于负压状态，这样会避免膨胀压力的产生，但这种输送方式要严格考虑输送管道的长度，精密计算管道的延程阻力和局部阻力，确保抽取到真空状态情况下，液体可以在大气压的作用下是介质达到设计流速和流量，保证工业管道正常运行。
2.工业管道设备上的改造
（1）将储液罐改造为加热型储液罐，将介质进行预加热，使进入工业管道内的介质初温达到一定高度，从而减少介质温升，控制介质的热膨胀范围在工业管道承受范围内，从而消除膨胀压力问题。
（2）在工业管道上安装泄压装置，当工业管道内部的压力高于设定压力时，会通过泄压装置将膨胀的介质排出，从而降低管道内部压力，以此消除膨胀压力问题。
（三）可兰素输送系统膨胀压力的消除方法
1.可兰素输送系统方案确认。通过对工业管道膨胀压力问题的分析，本系统最终采用加装泄压装置的方案，以此消除膨胀压力问题。系统原理图如下：
2.可兰素输送系统实施效果。通过加装泄压装置后，该系统未出现过超压问题，保证系统正常运行，并且泄压排放的介质重新返回到储液罐，避免造成浪费问题。执行该方案，投入成本最低，且效果良好，简单有效。
四、结语
工业管道是企业生产经营的重要设备，用于输送各种介质，保证企业正常生产经营。工业管道大多布置在高空或者地下，当出现问题时维修困难，并且原因查找困難。工业管道在运行过程中存在多种问题，要进行全面系统性分析，建立系统判定能力，掌握管道运行特点和基本原理，通过理论推测和假设演示的方法预测故障，并结合实际情况进行对比分析，以此查找工业管道故障，减少工业管道故障查找时间，快速解决工业管道运行问题。
工业管道的膨胀压力问题一直是设计人员和运行维护人员容易忽略考虑的细节情况。相关工作人员要充分认识膨胀压力对管道及设备造成的危害，及时消除膨胀压力的影响，保证工业管道正常运行，为企业生产经营提供有力保障。
参考资料
王惠民.流体力学基础[M].第3版.北京：清华大学出版社，2013.
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