管廊上蒸汽管道柔性設計及應力分析研究

王 博

管廊上蒸汽管道柔性設計及應力分析研究

王 博

（華陸工程科技有限責任公司， 陜西 西安 710065）

蒸汽管道在石化生產(chǎn)過程中應用非常廣泛，合理的管廊上蒸汽管道設計，是確保蒸汽管道安全、可靠和經(jīng)濟運行的前提條件。主要從管廊上蒸汽管道布置特點、運行介質(zhì)特點和選材等方面出發(fā)，分兩套方案對管系整體柔性以及分管段柔性進行系統(tǒng)分析和研究，同時，對蒸汽管線各固定點承受載荷大小、蒸汽管道膨脹應力、膨脹量大小進行計算，最終選擇方案②作為設計的基礎方案，整體上該方案符合柔性設計要求，必要節(jié)點增設人工補償器，各固定點所承受內(nèi)壓和外壓所產(chǎn)生的應力在許用應力范圍內(nèi)，相對于方案①，占地面積和投資成本均有所減低，保障了蒸汽管道安全、經(jīng)濟運行。

管廊；蒸汽；柔性；應力

在石油石化生產(chǎn)運行過程中，對蒸汽管道的使用較多，由于蒸汽管道運行過程的特殊性，使得對管道管材的要求較高。管廊帶上管道錯綜復雜，數(shù)量多、各支點受力復雜，自然補償與波紋管補償所產(chǎn)生的巨大內(nèi)壓推力與彈性力，都將會對整個管廊各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生巨大的推力，對整個管道系統(tǒng)的可靠、安全、穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響，特別是鋼材的熱膨脹性能，管道運行過程中軸向會產(chǎn)生較大的熱量，受管道管徑的影響，所產(chǎn)生的熱膨脹應力將會對管線、支架以及對接設備產(chǎn)生巨大的破壞作用，小則損壞生產(chǎn)設備，嚴重時將對工作人員人身安全造成傷害，導致生產(chǎn)停滯?；诖?，對管廊上蒸汽管道的設計研究顯得尤為重要，包括管道柔性設計、固定點承載載荷大小以及補償熱膨脹量等方面的研究，應依據(jù)GB 50316-2000（工業(yè)金屬管道設計規(guī)范）和SH/T 3041-2002（石油化工管道柔性設計規(guī)范）來指導進行管道柔性設計，這也是化工設計的重點和難點[1,2]。下面將從管廊上蒸汽管道特點出發(fā)，通過設計不同的方案，根據(jù)管道運行參數(shù)，研究管廊上蒸汽總管的柔性設計要求，以及計算各管段應力大小，選取最為合理的設計方案，保障管道安全運行。

1 管廊上蒸汽管道特點

蒸汽管道運行過程中，罐內(nèi)蒸汽溫度、壓力的變化，與管周圍溫度環(huán)境的差異，勢必使管道內(nèi)部產(chǎn)生巨大的熱膨脹量，一旦蒸汽流通管道兩端運行受阻，所產(chǎn)生的熱膨脹應力將會對管道、支架、相關管線設備造成嚴重損壞，以往蒸汽管道設計，遇到管道的熱脹冷縮，一般會采取管道自然補償以及波紋管補償?shù)男问郊右晕?，如今，蒸汽管道在運行中遇到的情況較復雜，因此，應根據(jù)蒸汽介質(zhì)管道運行工作特點，相應進行化工管道的設計，以保障蒸汽管道運行安全。

1.1 管道布置特點

管廊上蒸汽管道管線的特殊性，高壓、高溫的工作環(huán)境，同時容易產(chǎn)生氣液兩相流，因此，在蒸汽總管管道和排凝設施布置方面有其嚴格要求，應根據(jù)業(yè)內(nèi)相關行標和規(guī)范進行設計[3,4]。

（1）蒸汽總管管道

蒸汽管道管線設計溫度≥250 ℃時，適合選用摩擦系數(shù)為1.0的不銹鋼鏡面板-聚四氟乙烯板材料作為高溫隔熱管托，因為這種材料具有熱損失小、失效率低等特點，可有效降低管道對管架作用力。

（2）蒸汽管道排凝設施

過熱蒸汽在管道運行過程中，從理論上講，可以不用設置專門的排液設備，過熱蒸汽排液設備間隔應小于160 m。飽和蒸汽在管道運行過程中，則應設置專門的排液設備，飽和蒸汽排液設備間隔應小于80 m。蒸汽在管道暖管階段，會產(chǎn)生大量的凝結水，也有必要設置相應的排液設備。高、中和低壓蒸汽管道有必要設置經(jīng)常疏水設備。對于直接放空的管道，需在放空端彎頭處開排液孔（直徑8 mm），達到引液的目的（圖1）。

圖1 高壓蒸汽總管管道疏水示意圖

1.2 運行介質(zhì)特點

管廊上蒸汽管道系統(tǒng)常用的供氣壓力、溫度和管徑與常見化工管道不同。一般對供氣壓力有如下幾點要求：

①高壓蒸汽壓力大于10 Pa；

②高壓蒸汽壓力一般選擇4.5、6 MPa；

③壓蒸汽壓力為1、1.6、2 MPa；

④壓蒸汽壓力為0.6、0.35 MPa；蒸汽管道運行溫度一般在200~545 ℃，蒸汽管道管徑分布在DN15~DN800 mm[5-7]。

在超高壓蒸汽管道應在每隔50 m處設計一個“Π”型補償器，高壓蒸汽管道每隔80 m設計一個“Π”型補償器，中壓蒸汽和低壓蒸汽管道可在每隔100 m處設計一個“Π”型補償器。補償器應做到統(tǒng)一規(guī)劃，集中設置。針對于管徑大、流通運行溫度高的管道，應將補償器設置在管道外側，反之，在管道內(nèi)側設計。

1.3 選材要求

管材的選擇主要依據(jù)蒸汽管道運行溫度和介質(zhì)特性來決定。根據(jù)《管道材料等級表》選擇具體的材料，優(yōu)選最佳的材質(zhì)進行深加工為可用的成品。一般在石油化工管道方面，蒸汽管道常用材料基本情況如表1所示。

表1 蒸汽管道鋼材特點

2 蒸汽管道柔性設計

首先對化工管道整個管系進行初步的柔性診斷，即對管廊上蒸汽管道系統(tǒng)進行簡化式柔性析，主要是快速判斷管道柔性是否合適。根據(jù)SH/T 3041-2002（《石油化工管道柔性設計規(guī)范》進行設計。

通過統(tǒng)計管材單位膨脹量，得到無約束條件下管道的熱膨脹量大小，隨后根據(jù)蒸汽管道運行特點，將沿線管道劃分為多條管段，分別讓管段膨脹，并記錄運行數(shù)據(jù)[8-10]。高壓蒸汽總管管道將蒸汽管道固定點作為管系分割點，分別將兩分割點之間的管線獨立進行運行計算。將蒸汽管道運行圖中固定架1和固定架3視為起始端和終止端，分兩套方案來計算個管段膨脹量。方案一是以固定架2作為分割點，分別計算a和b管段熱膨脹量；方案二是以固定架2-1作為分割點，分別計算a和b管段熱膨脹量。根據(jù)現(xiàn)場實際工程情況，確定各管系的設計運行參數(shù)，包括壓力、溫度、腐蝕裕量等。

2.1 壓力和溫度的分析

管系的計算壓力應大于蒸汽管道運行內(nèi)壓或外壓與運行溫度耦合時最苛刻條件下壓力，根據(jù)以往管線運行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，設計壓力選擇應遵循“工藝管道一覽表”規(guī)定，考慮試驗、操作壓力對管系運行影響[10-12]。

管系的計算溫度，應嚴格按照工藝管道索引表規(guī)定來設計溫度，對于管系各管段所受的應力的分析，應結合管道正常運行過程中實際溫度，以及短時超溫工作狀態(tài)下的溫度，比如開、停車，以及蒸汽掃線等工況條件。

2.2 柔性設計

柔性設計不足，可能會產(chǎn)生較大的應力，則需要調(diào)整固定架位置，改變受力方向和大小，通常還會采用人工補償來滿足熱膨脹要求，常見的人工補償方式有“Π”、“L”型。結合管道鋪設走向，通過試差進行固定管架位置調(diào)整，當管道固定架柔性仍然達不到自然補償時，可采取在較長的直管段上，直接計算兩固定架之間管道的熱應力，兩固定架之間熱應力超過許用應力的管段處，采取增設人工補償器進行補強，同時，主管熱膨脹導致支管引出點位移，應確保不使支管承受壓力過大，補償器應做到統(tǒng)一規(guī)劃，集中設置。針對于管徑大、流通運行溫度高的管道，應將補償器設置在管道外側，管徑較小、流通運行溫度不高的管道，在管道內(nèi)側設計布置補償器[13,14]。

根據(jù)實際設計蒸汽管道需求，設計并確定了管系運行參數(shù)，如表2所示。

表2 蒸汽管道運行參數(shù)設計

根據(jù)運行實際情況，包括蒸汽管道膨脹應力、膨脹量大小、蒸汽運行溫度等，調(diào)整局部固定架位置，或者在必要節(jié)點增設人工補償器，同時，在合適的位置增設滑動支架，可使管系各管段布置符合管道柔性設計要求，管廊上各管段盡量將人工補償器集中設計，便于將后續(xù)固定支架布置在同一點，以滿足生產(chǎn)運行需求。

3 蒸汽管道應力分析

根據(jù)最終設計的蒸汽總管管道柔性設計要求，結合管段布置位置，利用計算應力專業(yè)軟件CAESAR II對蒸汽各管段進行應力計算和分析，尤其對管系各固定點受力情況進行分析，得到了兩套方案下固定架承受載荷大小數(shù)據(jù)[11,12]。如表3所示。

方案②：采用了立體“П”形補償形式，可通過管廊帶上相關管道對整個管系實現(xiàn)立體“П”形補償，“П”形彎高度約為15 m，寬度約為7.5 m，高寬比為2:1，整體上空間占用較少，同時各固定點所承受載荷降低，整個投資成本減少，不足點在于管道運行阻力有所增大，應增設低點排淋設施和彎頭數(shù)量，同時配合進行高點放空，對管材方面的投資費用有所增加。

表3 兩套方案固定架承受荷載統(tǒng)計

方案①：相較方案②，管線水平臂增加了4 m，需增加支撐架數(shù)據(jù)，導致管材占地面積擴大，一般這種情況，現(xiàn)場條件可能達不到。

基于以上分析和研究，認為選用設計方案②更為合適，通過現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)顯示，方案②管道的布置符合柔性設計要求，同時固定點承受的載荷大小也在允許范圍內(nèi)。

4 結束語

管廊上蒸汽管道設計是一項復雜的工程，既要滿足管系管架結構柔性設計規(guī)范，也要使各管段的應力也應在允許范圍內(nèi)，要根據(jù)《管道材料等級表》選擇具體的鋼材。結合管道鋪設走向，通過試差進行固定管架位置調(diào)整，根據(jù)管道蒸汽運行壓力大小、管道管徑以及蒸汽運行環(huán)境溫度等，相應設計補償器類型和布置間隔，同時，要綜合考慮各方面的投資成本，設計結構要科學、合理。實際設計工程需要考慮的因素更多，包括管線布置地理位置、氣候以及占地面積等，只有充分了解蒸汽管道管線設計特點，根據(jù)運行介質(zhì)的特性，嚴格設計管系運行壓力、溫度等參數(shù)，才能保證蒸汽管道設計的合理性和科學性。

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Flexibility Design and Stress Analysis of Steam Pipe in Pipe Rack

（Hualu Engineering Science and Technology Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710065，China）

Steam pipe is widely applied in the petrochemical production process, reasonable design of steam pipe on pipe rack, is a premise to ensure safe, reliable and economic operation of the steam pipe. In this paper, from the aspects of layout characteristics, operation medium characteristics and material selection of steam pipe in the pipe rack, whole flexibility and branch piping flexibility of two piping systems were analyzed and researched. At the same time, the load of each fixed point,swelling stress and swelling quantity of the steam pipe were calculated, and No.2 scheme was chosen as the final design scheme. This scheme can basically meet the demands of flexible design, and artificial compensators need be added in the necessary nodes, the stress on the fixed points is in the allowable stress. Compared with No.1 scheme, the floor area and investment cost of No.2 scheme can be reduced, safe and economic operation of the steam pipeline can be realized.

Pipe rack; Steam; Flexible; Stress

TQ 051

A

1671-0460（2017）12-2518-03

陜西省科技廳工業(yè)攻關項目資助，項目號：2011K10-21，陜西省教育廳專項基金、項目號：11JK0619。

2017-04-20

王博（1985-），男，陜西省西安市人，工程師，2008年畢業(yè)于天津大學過程裝備與控制工程專業(yè)，主要從事化工工程設計工作。E-mail：woshi0325@126.com。