淺談高壓蒸汽管線吹掃臨時(shí)管道設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

陳 偉,董 立

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

在化工裝置或鍋爐電廠中，汽輪機(jī)通常是通過(guò)高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)的，為滿足汽輪機(jī)入口管道的清潔度要求，在開(kāi)車前對(duì)高壓蒸汽管道進(jìn)行蒸汽吹掃是必不可少的。通常對(duì)管道進(jìn)行蒸汽吹掃是通過(guò)臨時(shí)管道接入消音器進(jìn)行吹掃放空，因此為了確保吹掃過(guò)程的安全性，臨時(shí)吹掃管道和臨時(shí)消音器的設(shè)計(jì)也不能忽視。本文主要從臨時(shí)管道的選材、壁厚計(jì)算、柔性設(shè)計(jì)、支吊架設(shè)置選型和臨時(shí)消音器的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

1 臨時(shí)吹掃管道的選材及壁厚計(jì)算

臨時(shí)吹掃管道的材質(zhì)是按照吹掃蒸汽的參數(shù)進(jìn)行選材的，例如，通常對(duì)高壓蒸汽管道進(jìn)行吹掃的蒸汽參數(shù)是300℃/ 4.0 MPa，根據(jù)材料的性能，可以使用20#鋼。

臨時(shí)吹掃管道的壁厚計(jì)算可以不考慮腐蝕裕量和負(fù)偏差等因素的影響，只需計(jì)算出滿足吹掃蒸汽參數(shù)的最小壁厚，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管道實(shí)際庫(kù)存情況，選擇壁厚大于計(jì)算出來(lái)的最小壁厚即可。

根據(jù)GB 50316 《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》 ，按6.2節(jié)直管壁厚計(jì)算中的6.2.1-1式進(jìn)行計(jì)算[1]：

ts=PD02([σ]tEj+PY)

式中，ts為直管的計(jì)算壁厚(mm)；P為吹掃蒸汽壓力(MPa)；D0為臨時(shí)管道外徑(mm )；σ]t為吹掃蒸汽溫度下材料的許用應(yīng)力(MPa);Ej為焊接接頭系數(shù) ；Y為溫度影響系數(shù)，通常高壓蒸汽管道的吹掃蒸汽溫度不會(huì)高于450℃，因此，溫度影響系數(shù)可以取0.4 。

2 臨時(shí)管道的柔性設(shè)計(jì)

2.1 臨時(shí)管道柔性設(shè)計(jì)的目的

通常正式管道比較受重視，會(huì)進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力計(jì)算，特別是汽輪機(jī)管線，為了管口的整體校核和無(wú)應(yīng)力對(duì)中安裝，將管道的柔性設(shè)計(jì)地非常好；而臨時(shí)吹掃管道的柔性往往被忽略，沒(méi)有應(yīng)力計(jì)算，甚至沒(méi)有設(shè)計(jì)圖紙，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行連接安裝，柔性就會(huì)非常差。

臨時(shí)管道缺少足夠的柔性，會(huì)因熱脹冷縮、臨時(shí)管道支架設(shè)置不當(dāng)?shù)仍蛟斐上铝袉?wèn)題[2]：

(1)管道應(yīng)力過(guò)大或金屬疲勞引起管道破壞；

(2)由臨時(shí)管道附加在正式管道上的位移引起正式管道上的管架脫落，造成管道在吹掃完后無(wú)法回位；

(3)管道推力或力矩過(guò)大引起正式管道上的支吊架破壞；

(4)法蘭連接處產(chǎn)生泄露。

因此，在蒸汽吹掃前考慮臨時(shí)管線的柔性和臨時(shí)支架的設(shè)置是很有必要的。

2.2 臨時(shí)管道柔性設(shè)計(jì)的方法

對(duì)臨時(shí)管道進(jìn)行柔性分析，可以采用計(jì)算機(jī)詳細(xì)分析和簡(jiǎn)易判斷分析。若現(xiàn)場(chǎng)具備詳細(xì)分析條件，建議使用計(jì)算機(jī)詳細(xì)分析，采用CAESAR軟件進(jìn)行建模分析，可以和正式管道一起進(jìn)行分析，優(yōu)點(diǎn)是分析比較準(zhǔn)確全面，缺點(diǎn)耗時(shí)；若現(xiàn)場(chǎng)不具備詳細(xì)分析條件，也可采用柔性簡(jiǎn)易判斷法，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單快捷，缺點(diǎn)是計(jì)算結(jié)果偏保守。下面著重介紹一下柔性簡(jiǎn)易判斷法。

對(duì)于比較簡(jiǎn)單的管系，可以采用ASME B31.1中簡(jiǎn)易柔性判斷法[3]：

Dγ(L-U)2≤208.3

其中D為管道外徑，mm； L為管系在兩個(gè)固定點(diǎn)之間的展開(kāi)長(zhǎng)度，m ；U為管系兩固定點(diǎn)之間的直線距離，m;γ為管系總熱膨脹量，mm。

此方法適用于一種管道規(guī)格、兩端固定的管道。對(duì)于臨時(shí)管道的分析，可以假設(shè)臨時(shí)管道和正式管道的連接處為固定點(diǎn)。若柔性不滿足要求，可以通過(guò)添加π型膨脹彎或"L"型補(bǔ)償來(lái)解決。

3 臨時(shí)管道支吊架設(shè)置選型

臨時(shí)管道支架設(shè)置選型的原則是：承擔(dān)放空排氣反力和不對(duì)正式蒸汽管道和支架產(chǎn)生破壞?？紤]經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)以剛性滑動(dòng)支架和剛性限位支架為主，盡量避免使用彈簧支吊架和阻尼器等現(xiàn)場(chǎng)不能制作且價(jià)格相對(duì)昂貴的支架型式。

剛性滑動(dòng)承重支架跨距根據(jù)TC42B2-94《管道支架的設(shè)計(jì)及計(jì)算》3.1節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體跨距詳見(jiàn)表1[4]：

表1 支架跨距

剛性限位支架的設(shè)置選型，需要現(xiàn)場(chǎng)的管道應(yīng)力設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置。在正式管道和臨時(shí)管道連接處的附近，一般設(shè)置限位架，防止臨時(shí)管道由于熱膨脹推動(dòng)正式管道產(chǎn)生不可逆的破壞；在臨時(shí)消音器附近需要設(shè)置限位架或者固定架，防止消音器移動(dòng)位移過(guò)大；在臨時(shí)管道中間的部分，可酌情考慮。

4 臨時(shí)消音器的設(shè)計(jì)

圖1 遭破壞后的消音器及碎片

為了降低蒸汽吹掃時(shí)產(chǎn)生的噪音，在管道末端必須設(shè)置臨時(shí)消音器。臨時(shí)消音器的尺寸設(shè)計(jì)非常重要，同等排放溫度和壓力條件下，臨時(shí)放空消音器與比正式管道純凈蒸汽放空消音器相比，尺寸要偏大。因?yàn)榕R時(shí)吹掃管道內(nèi)含有大量固體雜物，在連續(xù)放空時(shí)，雜物會(huì)全部堆積在消音器內(nèi)部，考慮安全性，不能排放出去。若消音器尺寸偏小，內(nèi)部可容納雜物的空間就偏小，致使消音器排放流道被堵塞，從而產(chǎn)生憋壓，溫度和壓力升高會(huì)使消音器發(fā)生疲勞破壞，產(chǎn)生的碎片會(huì)在高壓下像子彈一樣飛出去。例如，某項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)錯(cuò)誤使用消音器，發(fā)生安全事故，碎片被吹至20米外，見(jiàn)圖1。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著裝置規(guī)模逐漸變大和項(xiàng)目進(jìn)度的逐步加快，蒸汽吹掃臨時(shí)管道設(shè)計(jì)的安全性越來(lái)越受到重視，而材料及壁厚能否滿足強(qiáng)度計(jì)算，消音器的結(jié)構(gòu)尺寸型式是否合適，管道的柔性和支架的設(shè)置是否合理，都會(huì)對(duì)蒸汽臨時(shí)管道吹掃的安全性產(chǎn)生影響。