高壓蒸汽管道設計施工若干問題探討

姜錦程，李玉國

（東華工程科技股份有限公司，安徽合肥 230024）

高壓蒸汽管道設計施工若干問題探討

姜錦程，李玉國

（東華工程科技股份有限公司，安徽合肥 230024）

結合多個煤化工項目設計及現(xiàn)場實際情況，對高壓蒸汽管道應力分析設計及實際運行過程中出現(xiàn)的問題進行分析探討，著重從設計、施工、安裝三方面闡述了高壓蒸汽管道設計布置及管道支吊架選用時應注意的一些事項。

高壓蒸汽管道；管道支吊架；應力分析

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.008

在石油化工等項目中，存在著大量汽水管道，由于管道布置不合理、支吊架設計選用不當及其施工不到位等原因，常常發(fā)生管道振動、管架脫落等現(xiàn)象，嚴重影響管道的使用壽命，甚至會引起安全事故。特別是高壓蒸汽管道本身具有高溫、高壓、高流速的特點，同時又作為全廠的主動力管道，高壓蒸汽管道設計的好壞，將直接影響整個裝置的運行。本文結合多個煤化工項目設計及現(xiàn)場實際情況，對高壓蒸汽管道設計布置、管道支吊架設計及施工進行詳細地分析和探討。

1　嚴謹?shù)脑O計態(tài)度

高壓蒸汽管道通常由鍋爐產出，用來驅動透平或用于發(fā)電，作為高壓高溫管道，應優(yōu)先對其進行合理布置，布置管道設計人員應提前與管道應力分析設計人員溝通，確定初步走向，經軟件核算后的布置設計嚴禁隨意修改。特別是在大型項目中，常由多個裝置院聯(lián)合設計，裝置交接條件一定要充分溝通，再三確認，以避免現(xiàn)場出現(xiàn)問題。

某化工項目兩裝置管廊高壓蒸汽交接處因兩方設計人員溝通不充分，實際管道交界處存在2 500mm高差，且彎頭離滑動架很近，導致圖1中原設計固定架（A位置）不能保留，需修改支架形式，經核算，原A位置固定架改為滑動架，并在A位置支架左側6 000mm處新增軸向限位架+導向架（B位置），見圖2，這樣既保證了管系的剛度又滿足柔性。但整個過程使項目工期延誤，并造成一定的經濟損失。若在設計過程中，設計人員保持嚴謹?shù)膽B(tài)度和良好的專業(yè)溝通，這些損失都是可以避免的。

圖1　原設計走向

圖2　現(xiàn)場修改走向

2　合理的管道布置

高壓蒸汽管道流速相當高，國內通常將DN200及以上規(guī)格劃為振動管線［1］，蒸汽沿管道輸送過程中，遇到彎頭、三通、異徑管等元件時流態(tài)會發(fā)生改變，嚴重時將引起管道振動，故設計時應進行多方面的考慮，在保證管道柔性的前提下，盡量提高管系的剛度，且布置管道走向時，宜盡量避免多個支管對流匯入主管的情形發(fā)生，對于存在不可避免的匯流情況，應保證各匯流點之間相隔距離盡可能遠，防止相互影響，引起局部管系的振動。

某煤制乙二醇項目在正常生產時，3臺300 t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐2開1備，原高壓蒸汽管道設計走向見圖3，鍋爐正常運行5個月后，2號鍋爐負荷提升至250 t/h左右后，主蒸汽管道振動明顯，尤其是在2#鍋爐與蒸汽主管匯流口三通處振動非常嚴重，并引起廠房共振，迫使鍋爐停車整改。此管線經應力分析核算，一次應力、二次應力、所有熱位移、管口力和力矩均在許可范圍之內，管道支吊架也無問題，但經仔細研究布置，發(fā)現(xiàn)2#鍋爐與蒸汽主管匯流口和蒸汽主管等徑三通匯流出口的距離過近，導致蒸汽流態(tài)急劇變化。使用 ANSYS（CFX模塊）模擬湍流強度分布，2#鍋爐與蒸汽主管匯流口和蒸汽主管等徑三通匯流口之間的湍流強度最大。經與布置管道專業(yè)多方協(xié)商后，建議管道走向修改為圖4所示，再次模擬計算，以前強烈振動區(qū)域湍流強度已明顯減弱。

圖3　原設計走向與湍流強度分布

圖4　修改后走向與湍流強度分布

3　恰當?shù)墓芗茉O置

正確地選用管道支吊架是高壓蒸汽安全運行第一保證，然而經過多個項目的現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，管道支吊架存在各種各樣的設計選用、施工問題，為此對高壓蒸汽管道支吊架常見問題舉例分析，以期引起足夠重視。

3.1固定架

固定架既能分配管道熱位移，又能保證管系的剛度，在高壓蒸汽管系中的地位舉足輕重，合理的設置并保證施工質量對于維持管系的穩(wěn)定運行起了巨大作用。固定架位置設置應與管道應力計算要求一致，當確實由于現(xiàn)場特殊原因導致原設計固定架不能施工時，應及時與管道應力分析人員聯(lián)系，確定新固定架位置或修改支架形式；切勿因施工不當?shù)仍驅⑵胀ㄖЪ茏兂晒潭?，如滑動架施工時埋入基礎內、滑動架點焊等，此類問題在管道運行前一定要加強檢查，及時整改；固定架應有足夠的強度和剛度，設計選用時應考慮其承載能力，以避免運行時由于固定架損壞，導致管系運行受到影響，甚至停車整改。

某煤化工項目鍋爐廠房內主蒸汽管道固定架沒有嚴格按圖紙施工，固定架預埋鋼板只是簡單地焊4個圓鋼到下面梁的主筋上，見圖5，致使管道正常運行時固定架被拔出，管系發(fā)生偏轉，附近滑動架翹起，整個管系的熱位移因失去固定架的限制而無法控制，管系因失穩(wěn)而發(fā)生劇烈振動，緊急停車后修復附近普通支架，將發(fā)生偏轉的管系盡量復位至原安裝狀態(tài)，將所有的固定架下發(fā)的梁表層混凝土破開，預埋板直接滿焊在梁的主植筋上，見圖6。

圖5　出現(xiàn)問題的固定架預埋鋼板

圖6　梁主植筋

3.2限位架

限位架作為特殊約束型管架，可以限制一個或多個方向的線位移，特別適合于敏感設備的管道，如高壓蒸汽汽輪機進口管道。限位架需要可靠的、剛性好的生根結構，受力后生根結構不應有明顯的撓度；在設計過程中常出現(xiàn)定值限位架，限位架留有若干毫米的空隙，當位移量超過此數(shù)時起限位作用，所以限位架要求施工準確，必要時可采用可調節(jié)的結構。對于水平力較大的限位架，受力點盡量在管道中心線上，避免產生過大的彎矩。與普通支架相比，限位架對于施工精度要求更高，當施工質量導致限位間隙不能達到設計要求時，將直接影響敏感設備管口的受力，甚至影響動設備運行，現(xiàn)場出現(xiàn)問題時應與管道應力人員聯(lián)系，如果不能滿足要求，應及時整改。

某煤化工項目汽輪機廠房內高壓蒸汽管道走向見圖7，圖中A處和B處分別設置2個軸向限位架，其目的是減小汽輪機管口在兩個水平方向的力和力矩，其中A處限位架軸向力為1.4 t，此管道距地面高度5.5m，管線吹掃時發(fā)現(xiàn)A處限位架立柱和基礎間松動，見圖8，限位間隙超過設計要求，管道有明顯的橫向偏移，附近彈簧頂板偏離管托中心，經模擬計算，汽輪機口力和力矩超出許用范圍，影響汽輪機安全運行，停車后由結構專業(yè)配合重新核算，兩側新增斜撐，增強此處限位架的剛度，保證限位架承受水平推力時管道的限位位移不超過2mm。

圖7　汽輪機進口高壓蒸汽管線

圖8　出現(xiàn)問題的限位架基礎

3.3 彈簧支吊架

高壓蒸汽溫度較高，在管道設計過程中，不可避免會使用彈簧支吊架。通常情況下，彈簧支吊架按熱態(tài)吊零設計，管道在熱態(tài)工況下具有良好的載荷分配，彈簧荷載變化率控制在25%以內。但對于汽輪機等敏感動設備，管口運行時要求的力和力矩都非常嚴格，彈簧荷載變化率需控制在10%以內。

高壓蒸汽管道彈簧常見的問題有彈簧安裝空間不夠、彈簧位置裝錯、彈簧沒有按照標準設置導向筒導致荷重柱偏斜受力不均等。其中，彈簧安裝空間不夠這一問題的出現(xiàn)，通常是由設計時管道支架安裝高度計算錯誤，或施工時候誤差，導致彈簧的安裝空間小于計算的彈簧安裝高度。此類問題整改麻煩，耗時多，整改成本高，只能通過過量下擰彈簧荷重柱，降低彈簧高度來滿足安裝需要，當管道熱位移向下時，彈簧荷重板與殼體之間空間較小，限制管道熱變形，見圖9。

圖9　彈簧安裝空間不夠

3.4滑動管托

在操作溫度下，由于高壓蒸汽管道線膨脹量導致各滑動支架處水平位移較大，特別是L形彎或者π形補償器彎頭附近管架位移更為明顯，如若所選用管托長度不夠或者管托沒有按要求偏裝，管托易發(fā)生偏轉甚至脫落。

某項目主管廊高壓蒸汽管道管托選用長度不夠，運行時管托發(fā)生偏轉，見圖10，若不及時發(fā)現(xiàn)，有可能會發(fā)生管托掉落傷人的事故，且影響蒸汽管道的正常運行，有很大的安全隱患。所以設計人員設計管托時，需根據(jù)應力計算書上管架處水平位移量，選用合適管托，如果水平位移量較大，可選用加長管托，必要時可按熱位移的三分之一進行管托的反向偏置安裝。

圖10　運行時管托偏轉

3.5吹掃過程中出現(xiàn)的支架問題

高壓蒸汽管路在制作、焊接及安裝過程中，難免有臟物進入管道，而且在進行切割、打磨焊口及焊接等工作時，管道內壁可能附有金屬氧化物、焊渣等雜質，如不及時清理，可能堵塞濾網，損壞汽輪機葉片；蒸汽吹掃是利用蒸汽在管道中的高速流動對固體雜質進行沖刷，并利用吹掃過程中蒸汽溫度的反復升降，使依附在管道上的氧化皮、焊渣等雜質脫落并吹出管外。在此過程中，由于管夾與高壓蒸汽管道所受熱膨脹系數(shù)有些微差別，且管夾和管道間有隔熱材料層，經過多次升溫、降溫以后，管夾出現(xiàn)松動，以至于管托逐漸被推偏管中心，尤其是π彎橫臂上的兩個滑動架尤為明顯，如不采取一定措施，最終管托將發(fā)生偏轉并滑落，圖11為某現(xiàn)場高壓蒸汽管道吹掃過程中幾次循環(huán)以后，常溫下管托已不能復位，從現(xiàn)場管托底部痕跡很明顯看出，管托向外部移動約60 mm，并隨著吹掃循環(huán)次數(shù)的增加，不斷增大，如不及時整改將導致管托滑落。

圖11　吹掃過后滑動管托不能復位

根據(jù)GB/T 20801.4—2006第10.2.6條，這種情況理論上可以通過螺母熱緊解決，具體如下。

高溫或低溫管道法蘭的螺栓，在試運行時應按下列規(guī)定進行熱態(tài)緊固或冷態(tài)緊固：①管道熱態(tài)緊固、冷態(tài)緊固溫度應符合表1的規(guī)定；②熱態(tài)緊固或冷態(tài)緊固應在達到工作溫度2 h后進行；③緊固螺栓時，管道最大內壓應根據(jù)設計壓力確定。當設計壓力≤6 MPa（g）時，熱態(tài)緊固最大內壓應為0.3 MPa（g）；當設計壓力＞6 MPa（g）時，熱態(tài)緊固最大內壓應為0.5 MPa（g），冷態(tài)緊固應卸壓后進行；④緊固應適度，并應有安全技術措施，保證操作人員安全。

表1　管道熱態(tài)緊固、冷態(tài)緊固溫度

根據(jù)表1，高壓蒸汽管道一次熱緊溫度和二次熱緊溫度分別為350℃和工作溫度，且通常高壓蒸汽均布置在管廊最上層，施工人員很難靠近管托進行熱緊操作，因此建議π彎橫臂上的支架管托采用一定的防滑脫措施或者直接采用焊接型管托，以免給蒸汽吹掃帶來很大困擾。

3.6汽輪機口無應力安裝導致的支架問題

為避免外力作用于汽輪機機組本體上，保證機組始終處于自由狀態(tài)，機組主進出氣管必須采用無應力連接技術，這就對高壓蒸汽接汽輪機管道現(xiàn)場安裝提出很高的要求，汽輪機機組安裝嚴禁從汽輪機本體開始，而應從外部管線或設備開始，并盡量保證管線下料和焊接的精度，以降低汽輪機口法蘭無應力連接時的難度。管線最后一個焊口的焊接相當關鍵，應設在離汽輪機較遠的地方，以減少焊接應力對機組的影響。

某些現(xiàn)場施工單位為簡化安裝步驟、降低安裝難度，施工時隨意下料、焊接，導致管道安裝成型后不能保證汽輪機機組的同心度，只能去掉汽輪機口附近彈簧定位銷，通過調整汽輪機管口附近彈簧荷載來滿足現(xiàn)場無應力安裝要求，致使局部彈簧過載損壞，見圖13，然而汽輪機管口法蘭各方向水平度仍不能達到廠家要求的管口法蘭同心度。為此，與汽輪機廠家及施工單位協(xié)商，將圖12中的A、B、C、D等4處可變彈簧架和E、F等2處恒力彈簧架恢復出廠設置并加上定位銷，將管道復位并割斷進汽輪機口垂直管段，清除附加在汽輪機上的外力，重新將汽輪機組找正找平，最后進行封閉管段的焊接，嚴格進行管段的無應力安裝，達到要求后方可拆除彈簧定位銷。

圖12　汽輪機進口附近彈簧分布

圖13　汽輪機進口附近E和F處恒力彈簧過載損壞

4　結語

高壓蒸汽管道現(xiàn)場問題頻發(fā)，處理這些問題所耗費的時間成本和施工成本都非常高，隨著項目規(guī)模的擴大，這種情況越發(fā)明顯。為避免施工和正常運行過程中出現(xiàn)大量上述問題，減少后期整改工作量，特提出如下建議。

（1）重視高壓蒸汽管道的設計質量，完善設計規(guī)定，總結相關項目經驗并重視培訓，健全標準，成立專業(yè)組。

（2）嚴格控制施工質量，對于現(xiàn)場出現(xiàn)的任何問題，應予以高度重視，及時與設計人員溝通并安排專業(yè)人員解決。

（3）項目完工時，應進行相關設計交底，以便引起業(yè)主和施工單位的足夠重視。

只有這樣才能有助于高壓蒸汽管線設計質量的提高，消除潛在的安全隱患，進而提高工程質量和經濟效益。

［1］宋苛苛.工業(yè)管道應力分析與工程應用［M］.中國石化出版社，2010.

［2］鄭茂鼎.管道支架的設計及計算-TC42B2-94［M］.化工部工程建設標準編輯中心，1994.

［3］徐建東.壓縮機無應力配管施工技術［J］.安裝，2007，26（8）：47-49.

［4］GB/T 20801.4—2006，壓力管道規(guī)范—工業(yè)管道（第4部分）：制作與安裝［S］.

Discussion on Some Problem s in Design and Construction of High Pressure Steam Pipeline

JIANG Jin-cheng，LIYu-guo
（East China Engineering Science&Technology Co.，Ltd.，Hefei Anhui 230024 China）

Based on the design and the actual site situation of several coal chemical projects，this paper discusses the problems occurring in the stress analysis design of high pressure steam pipeline and the actual operation process.Mainly from three aspects of design，construction and installation，the paper also indicates some noteworthy issues about the design layout of high pressure stream pipeline and the pipe hanger selection.

high pressure steam pipeline；pipe hanger；stress analysis

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.008

TQ055.81

B

1004-8901（2016）04-0025-05

2016-03-29

姜錦程（1985年-），男，安徽池州人，2009年畢業(yè)于北京科技大學材料加工專業(yè)，碩士研究生，工程師，現(xiàn)主要從事工程設計工作。