過(guò)熱蒸汽爐出口高溫管道設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

劉兆成 許智

摘要：本文主要分析了過(guò)熱蒸汽爐出口高溫管道設(shè)計(jì)思路，重點(diǎn)介紹了出口高溫管道設(shè)計(jì)特點(diǎn)，它不僅可以確保出口高溫管道設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性，而且還可以有效降低設(shè)備管口的受力情況。通過(guò)對(duì)過(guò)熱蒸汽爐出口高溫管道進(jìn)行設(shè)計(jì)，以期為過(guò)熱蒸汽爐的安全運(yùn)行提供保證，并實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益的最大化。

關(guān)鍵詞：過(guò)熱蒸汽爐；出口高溫管道設(shè)計(jì)；特點(diǎn)

1.過(guò)熱蒸汽爐出口高溫管道設(shè)計(jì)思路

對(duì)于化工企業(yè)而言，過(guò)熱蒸汽爐出口高溫管道設(shè)計(jì)是否合理將會(huì)對(duì)化工廠的安全運(yùn)行產(chǎn)生或多或少的影響。過(guò)熱蒸汽爐出口管道溫度一般可以達(dá)到880℃，此時(shí)就需要結(jié)合HG/T20519-2009中的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)管道進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)管道應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和分析。

在出口高溫管道設(shè)計(jì)時(shí)，一般要求管道剛度較大，裝置運(yùn)行時(shí)高溫蒸汽所產(chǎn)生的熱脹力將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備管口位置出現(xiàn)比較大的推力，此時(shí)就需要對(duì)高溫管道的柔性給予充分考慮。在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)通過(guò)改變管道走向、設(shè)置彈簧支吊架和使用補(bǔ)償器的方式來(lái)提高管道的柔性。在對(duì)管道走向進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)U形或Π形來(lái)提高管道的柔性，在平面上盡可能避免管道直線連接，從而有效降低管道對(duì)設(shè)備管口所產(chǎn)生的推力。此外，為了降低投入成本，可以在確保管道柔性的同時(shí)，還需要避免管道過(guò)分柔軟，進(jìn)而達(dá)到降低管道振動(dòng)的目的。

在設(shè)計(jì)過(guò)熱蒸汽爐出口高溫管道過(guò)程中，要對(duì)彈性支吊架給予科學(xué)、合理的選擇，在對(duì)管道方向位移進(jìn)行限定的同時(shí)，還需要對(duì)整個(gè)管系的力矩和力的分布進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。在大管徑高溫管道設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了降低壓力降，要盡量縮短管道路徑，此時(shí)要優(yōu)選彈簧支吊架，在維持管線走向的同時(shí)，有效提高管道的補(bǔ)償能力，進(jìn)而達(dá)到降低管道在特定方向力矩和推力的目的。實(shí)際上，彈簧支吊架并非越多越好，尤其是與轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備保持連接的管道支架，如果數(shù)量過(guò)多將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)管系穩(wěn)定性變差，甚至引起振動(dòng)。

因此，在過(guò)熱蒸汽爐出口高溫管道模型構(gòu)建過(guò)程中，要對(duì)彈簧支吊架的選擇給予優(yōu)先考慮，通過(guò)改變支吊架的位置或形式來(lái)有效降低高溫管道對(duì)設(shè)備管口所產(chǎn)生的力矩和推力，對(duì)于無(wú)法滿足應(yīng)力要求的管道，可以通過(guò)增加自然補(bǔ)償及改變管道走向的方式來(lái)改善設(shè)備管口受力情況。

2.過(guò)熱蒸汽爐出口高溫管道設(shè)計(jì)

2.1合理選用管道材料

過(guò)熱蒸汽爐出口至中間再熱器入口位置的溫度可以達(dá)到880℃，此時(shí)就需要對(duì)管道材料的選擇給予高度的重視，可以對(duì)美國(guó)Inco公司生產(chǎn)的耐腐蝕性能、耐高溫性能、固溶態(tài)高的奧氏體鎳-鐵-鉻合金給予優(yōu)先考慮，其具有導(dǎo)熱系數(shù)低、熔點(diǎn)低等特點(diǎn)，而且線膨脹系數(shù)介于奧氏體碳素鋼和不銹鋼之間。

實(shí)際上，與Incoloy 800H相比，Incoloy 800HT具有更好的高溫性能，當(dāng)工作溫度低于593℃時(shí)，Incoloy 800HT與Incoloy 800H具有相同的許用應(yīng)力值，如果工作溫度大于593℃時(shí)，Incoloy 800HT具有更好的高溫抗蠕變性能和耐氧化性能，而且在長(zhǎng)期高溫條件下，其穩(wěn)定性更高，是過(guò)熱蒸汽爐出口高溫管道中比較理想的管道材料，且其屈服強(qiáng)度σa2≥170MPa，抗拉強(qiáng)度σb≥450MPa，延伸率σs≥30%。同時(shí)，還需要對(duì)Incoloy 800HT成品進(jìn)行固溶化熱處理，以此來(lái)獲取該溫度下的最佳性能的晶粒度，此外還需要對(duì)焊縫開(kāi)展100%射線檢驗(yàn)。

2.2構(gòu)建管系力學(xué)模型

該管道模型設(shè)計(jì)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)溫度為880℃，設(shè)計(jì)壓力為0.21 MPaG，操作溫度為840℃，管道壁厚11mm，管道管徑為DN350mm，管道材質(zhì)為Incoloy 800HT，保溫厚度為250mm，腐蝕裕量為1.5mm，保溫容重為200kg/m3。根據(jù)管道軸測(cè)圖，借助CAESAR Ⅱ軟件來(lái)對(duì)管道模型進(jìn)行構(gòu)建。

2.3優(yōu)化后結(jié)果比較

由于過(guò)熱蒸汽爐出口高溫管道布置已經(jīng)固定，不能以降低管道長(zhǎng)度的方式來(lái)減小管口在Z方向和Y方向的推力，而且通過(guò)對(duì)模型中彈簧支吊架形式進(jìn)行多次調(diào)整后也不能降低管口受力，此時(shí)就需要對(duì)管道走向進(jìn)行調(diào)整，以此來(lái)有效提高管道柔性，進(jìn)而達(dá)到降低設(shè)備管口推力的目的。調(diào)整后的模型如圖2，其可以使中間再熱器管口（節(jié)點(diǎn)510）出的Z方向和Y方向推力大大降低，同時(shí)X方向力矩也大大減少。與此同時(shí)，過(guò)熱爐蒸汽出口（節(jié)點(diǎn)600）位置的設(shè)備管口受力并未出現(xiàn)比較大的改變，但是Z方向和Y方向推力卻出現(xiàn)了比較明顯的下降，調(diào)整后的設(shè)備管口受力都滿足許用載荷要求，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

3.過(guò)熱蒸汽爐出口高溫管道常見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)策略

（1）過(guò)熱蒸汽爐出口蒸汽壓力超過(guò)11MPa時(shí)，如果是管網(wǎng)結(jié)鹽堵管導(dǎo)致的，則需要對(duì)其進(jìn)行沖洗處理；如果是采油井井口壓力高導(dǎo)致的，則需要降低水量；（2）過(guò)熱段壓差超過(guò)2.05MPa時(shí)，則需要對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的沖洗；（3）摻混器壓力差超過(guò)0.3MPa時(shí)，則需要對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的沖洗；（4）過(guò)熱段出口蒸汽溫度超過(guò)500℃時(shí)，則需要對(duì)工況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并降低火量；（5）汽水分離器液位低于400mm時(shí)，需要對(duì)輻射段出口干度進(jìn)行檢查，如果超過(guò)80%，則需要降低火量，以確保干度維持在60-80%，反之則需要手動(dòng)對(duì)液位調(diào)節(jié)閥開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整，以確保液位維持在400-600mm；（6）汽水分離器液位超過(guò)600mm時(shí)，需要以手動(dòng)的方式來(lái)對(duì)液位調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其開(kāi)度從10%提升至60%，直至液位維持在400-600mm為止；（7）對(duì)于球形汽水分離器而言，要保證分離蒸汽干度超過(guò)98%，反之則需要對(duì)分離器進(jìn)行化學(xué)清洗。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，過(guò)熱蒸汽爐運(yùn)行過(guò)程中，其出口溫度一般比較高，因此做好出口高溫管道設(shè)計(jì)工作尤為重要，此時(shí)需要對(duì)各種荷載和管道材質(zhì)的影響因素給予綜合考慮，通過(guò)改變管道走向的方式可以有效降低設(shè)備管口推力和力矩，進(jìn)而提高管道的使用性能。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：南京蘇夏工程設(shè)計(jì)有限公司）