蒸汽管線吹掃應(yīng)力計(jì)算分析

高 昊

(北京石油化工工程有限公司西安分公司,陜西 西安 710075)

管道吹掃主要是清除管道雜物、鐵銹、焊渣等[1]，其次也可以觀察在吹掃工況下，管道帶溫時(shí)管道及支吊架的工作、位移情況。蒸汽管道(尤其是高、中壓蒸汽管道)吹掃時(shí)，管線較長，吹掃采用的蒸汽溫度較高，管道吹掃時(shí)間較長，因?yàn)榇祾吖芫€為臨時(shí)管線，吹掃方案由于種種原因，現(xiàn)場配管時(shí)間較為緊湊，吹掃管線的應(yīng)力計(jì)算分析往往被忽略，配管柔性不夠，管架設(shè)置不合理，造成管道及管架破壞、臨時(shí)消音器跑偏，甚至是管道相連的汽輪機(jī)、鍋爐等一些關(guān)鍵設(shè)備管口載荷超標(biāo)等問題，所以,蒸汽管道吹掃管道柔性分析計(jì)算和相應(yīng)支架設(shè)置十分必要，本文重點(diǎn)闡述了蒸汽吹掃管線的應(yīng)力分析計(jì)算工作。

1 蒸汽管道吹掃應(yīng)力計(jì)算分析

1.1 吹掃前應(yīng)力計(jì)算準(zhǔn)備工作

設(shè)計(jì)專業(yè)進(jìn)行自查，管道應(yīng)力設(shè)計(jì)人員首先核查應(yīng)力計(jì)算報(bào)告，保證其支架位置、型式與現(xiàn)場施工用管道專業(yè)管道軸測圖圖紙一致。

施工現(xiàn)場檢查中，蒸汽吹掃前按照管道軸測圖核查管道支架施工是否與設(shè)計(jì)文件相同，如施工有誤,則需施工單位及時(shí)整改后再進(jìn)行吹掃。

配合施工單位，依據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)軸向或徑向位移量較大，尤其是軸向一般為超過50mm的支架點(diǎn)，管架編號，做成支架位移信息表。由表中可以查出支架的位置、型式、位移趨勢及位移量，并要求施工單位將位移量較大的點(diǎn)用油漆畫線標(biāo)示，這樣在蒸汽管線運(yùn)行時(shí)可以方便觀察管線、支架運(yùn)行趨勢。測量位移量，若運(yùn)行趨勢及位移量與應(yīng)力計(jì)算結(jié)果基本一致，則可驗(yàn)證計(jì)算及施工的正確性，繼續(xù)進(jìn)行吹掃工作；若不一致,出現(xiàn)不可控情況，則需及時(shí)檢查管線與管架施工是否正確、吹掃操作是否合理，可考慮暫時(shí)停止吹掃，檢查管架，尤其是限制性支架(軸向限位架、徑向?qū)蚣?是否失效，及時(shí)整改,待管架修復(fù)后才可繼續(xù)吹掃，以防事故發(fā)生。某項(xiàng)目吹掃前制定的管架信息見表1。

表1 高壓蒸汽管線管架信息表

1.2 吹掃工況應(yīng)力計(jì)算

當(dāng)吹掃管線連接設(shè)備時(shí)，必須先進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，校核設(shè)備管口受力，以防設(shè)備管口載荷超標(biāo)，且吹掃管線配管的基本原則為盡量不改變原有管線的柔性，減少對原有管道的影響，保證其不產(chǎn)生塑性變形。其次,不破壞管道支架，尤其是彈簧支吊架，使其可以安全使用。一般吹掃方案的確定主要需要考慮管道柔性及支架設(shè)置問題。

以榆林煤化高壓蒸汽管線吹掃為例,來分析吹掃管線配管及支架設(shè)置問題。該項(xiàng)目高壓蒸汽管道吹掃時(shí)連接鍋爐過熱器的這臺設(shè)備，吹掃蒸汽參數(shù)如下：操作壓力為4.5MPa，溫度為450℃，臨時(shí)吹掃管道材質(zhì)為碳鋼，管徑為325mm，壁厚為28mm，臨時(shí)電動閥質(zhì)量為1.2t。在CAESARⅡ中搭建好的高壓蒸汽臨時(shí)管道吹掃模型見圖1。

圖1 高壓蒸汽臨時(shí)吹掃管道應(yīng)力計(jì)算模型

圖中數(shù)字為模型中管架節(jié)點(diǎn)號，現(xiàn)場高壓蒸汽管道頂端為鍋爐過熱器管口，臨時(shí)吹掃管道分界為彎頭焊縫處。如圖所示，根據(jù)廠房空間布置吹掃管線，受限于空間及管位，吹掃管線走向比較單一，由廠房二層平臺降落至廠房外空曠處吹掃放空，雖然管道在二層平臺最近處接出，但由上至下立管高度為8m，立管段長度可以補(bǔ)償水平管較大的熱膨脹，使水平段管段的柔性變好。由此可以看出，當(dāng)管道柔性較差的時(shí)候，現(xiàn)場配管在有條件的情況下，需要及時(shí)調(diào)整管道走向,從而增加管道柔性。

吹掃管道支架設(shè)置的一般工程做法是，在原有管線與臨時(shí)吹掃管線分界處最近的第一個(gè)支架點(diǎn)，圖中模型中節(jié)點(diǎn)號5010，支架型式設(shè)置為固定架，這樣可以與原有管線完全切分，防止臨時(shí)吹掃管線對原有管線造成的影響，但是該位置設(shè)置固定架后，經(jīng)計(jì)算得出，在現(xiàn)有廠房空間下配管，固定架FX方向(管道軸向)推力為52 835N，該支架位置又在樓面處，附近無梁柱等較為夯實(shí)的基礎(chǔ)，現(xiàn)場施工受力要求較大的固定架,難度很大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，很難實(shí)現(xiàn)；且樓面上空間有限，無法通過改變走向來增加管道柔性，進(jìn)而減小固定架受力。所以經(jīng)考慮后，將此處原定的固定架改為滑動支撐架，由計(jì)算結(jié)果可以看出，滑動架承受管道軸向推力不到1t，滑動支架未限制角位移，三個(gè)方向都沒有產(chǎn)生力矩，這樣的臨時(shí)滑動支撐施工方便簡單，滿足工程需求。需要注意的是,該位置設(shè)置滑動支架，沒有限制管道熱膨脹位移，該點(diǎn)熱位移為97mm，推動上方原有管道，現(xiàn)場最近支架點(diǎn)(一個(gè)彈簧吊架)，軸向產(chǎn)生101mm熱位移，選用彈簧經(jīng)測量,可知吊桿長度大于水平位移的15倍，即吊桿偏斜角度在4°以內(nèi)[2]，滿足規(guī)范要求，其他較近的支架點(diǎn)熱位移都在允許范圍內(nèi)，所以吹掃管線在該走向下，采用滑動支撐架切分原有管線與臨時(shí)吹掃管線是比較合適的。

吹掃工況下，原有管線與臨時(shí)吹掃分界處，模型中節(jié)點(diǎn)號為5100點(diǎn)，分別設(shè)置的固定架與滑動支架受力值見表2，其中負(fù)號表示方向。

臨時(shí)吹掃管線上選用電動閥質(zhì)量為1.2t，其就近位置必須設(shè)置承重支架，又因?yàn)樵撍焦艿垒^長，所以在承重架基礎(chǔ)上增加導(dǎo)向架，防止管道吹掃時(shí)徑向擺動失穩(wěn)。然后設(shè)置的導(dǎo)向架也限制了垂直于該管段水平管道的熱位移，把吹掃管線對原有管線的影響降到最小。導(dǎo)向間隙無特殊要求的,一般按標(biāo)準(zhǔn)管架圖設(shè)置為2mm。

吹掃管線立管由廠房樓上至地面,沒有支架生根點(diǎn)，所以支撐該段立管的支架設(shè)置在立管上方水平管上，計(jì)算管道跨距后，管道一次應(yīng)力[3]校核百分比最大點(diǎn)為47%，一般以小于50%為宜，在保證支架不脫空,即滿載的位置處設(shè)置滑動支撐架，增設(shè)導(dǎo)向架也能預(yù)防管道產(chǎn)生振動。立管下方水平管段上支架位置的選擇必須考慮立管向下的熱膨脹位移，在滿足管道跨距的前提下，避免管道下方支架距離立管太近，阻礙管道向下膨脹，而產(chǎn)生“憋力”情況。有些情況在無法采用軟件計(jì)算時(shí)，可大致估算管道膨脹量，當(dāng)管道一端固定時(shí)，管道自由端膨脹量[4]:

ΔL=αLΔT

其中,α為管道材料從安裝溫度變化到操作溫度的平均線膨脹系數(shù)，mm/(mm·℃);L為管道長度，mm；ΔT為管道從安裝狀態(tài)(一般取為20℃)到操作狀態(tài)的溫度變化值，℃。

除特殊設(shè)置的固定架外，其余承重及導(dǎo)向架受力計(jì)算值見表3，各支架點(diǎn)受力值都調(diào)整在可控范圍內(nèi)，現(xiàn)場施工無需特殊加固處理，很容易實(shí)現(xiàn)。

吹掃管線末端連接臨時(shí)消音器，消音器本體支架一般為螺栓把死的固定架，固定架承受管道重力、熱漲力；消音器重力及反推力，對管道防振也有一定的作用。本模型設(shè)置固定架時(shí)，計(jì)算得出固定架受力，最初的設(shè)計(jì)計(jì)算中，管道末端只有消音器位置設(shè)置有一個(gè)固定架，計(jì)算得出,該固定架MY(扭矩)為-101 014N·m，力矩很大，實(shí)現(xiàn)固定架施工很困難。由計(jì)算結(jié)果分析，產(chǎn)生較大力矩的主要原因是相連的垂直于該管段的水平管道熱膨脹位移量為23mm，末端管段設(shè)置為固定架時(shí)，管道無法自由膨脹，末端管道長度為8m，管道長度不足以吸收垂直管道的熱位移，所以初始方案為加長末端管道或設(shè)置“π”型彎增加柔性,以降低固定架力矩。但經(jīng)現(xiàn)場施工人員反饋,該類型管道切割焊接有困難，另外設(shè)置“π”型彎后,管道還需增加多個(gè)支架，尤其在增設(shè)固定架時(shí)，施工更加費(fèi)時(shí)繁瑣。所以,為了減小管道軸向位移，在不能改變管道走向的情況下，在末端管道設(shè)置一個(gè)導(dǎo)向架來限制垂直管道熱位移，減小垂直段管道熱膨脹推向固定架，從而降低固定架的受力值。導(dǎo)向架位置確定時(shí)，需考慮以下情況：若導(dǎo)向架距離彎頭太近,則導(dǎo)向架受力太大，施工難以實(shí)現(xiàn)；若太遠(yuǎn),則不能限制熱位移。經(jīng)計(jì)算調(diào)整，在保證導(dǎo)向架受力強(qiáng)度足夠的情況下，在距離彎頭4.5m位置設(shè)置該導(dǎo)向架，導(dǎo)向間距為2mm。導(dǎo)向架設(shè)置前后消音器固定架(模型中為5120點(diǎn))受力值見表4，從中可以看出，消音器固定架在增加導(dǎo)向架后的受力及力矩值明顯減小，導(dǎo)向架受力為-43 037N，現(xiàn)場施工選用較大的槽鋼(如C16)作為管道徑向擋板時(shí),即可滿足要求。

本項(xiàng)目消音器本體支架為固定架，當(dāng)吹掃管線較短、柔性較差時(shí)，在無法通過改變管道走向增加柔性的情況下，消音器本體支架可以根據(jù)管道熱膨脹方向設(shè)置為幾個(gè)方向的限位組合架，釋放熱位移，以減小該支架的受力，但需要在消音器支架點(diǎn)畫線,以隨時(shí)觀察位移狀態(tài)，管架盡量采用大型H型鋼保證消音器穩(wěn)定，不產(chǎn)生振動，防止消音器發(fā)生被“吹跑”的重大事故。消音器本體限位架見圖2。

圖2 消音器本體限位架

最后,現(xiàn)場支架的位置及型式根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果施工設(shè)置，支架盡量依靠廠房或者管廊有較大梁柱生根，若支架無這類生根條件時(shí)，可以設(shè)置斜撐增加支架強(qiáng)度，保證管道及支架在吹掃時(shí)的可靠和安全。臨時(shí)吹掃管線支架見圖3。

圖3 臨時(shí)吹掃管線支架

依照應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，施工人員按圖施工，吹掃10余天，依據(jù)畫線觀察，原有管道、支吊架、鍋爐過熱器設(shè)備、臨時(shí)吹掃管道及支架、消音器及固定架位移及載荷變化趨勢均在計(jì)算范圍內(nèi)，未產(chǎn)生異?，F(xiàn)象，高壓蒸汽吹掃工作較為順利。

其余管線吹掃(尤其是高溫蒸汽管線)與本次高壓蒸汽基本原則一致，應(yīng)力計(jì)算需要考慮的問題、吹掃的重點(diǎn)及難點(diǎn)分為以下幾點(diǎn)：①吹掃管線是否連接設(shè)備管口吹掃工況；②原有管線與臨時(shí)吹掃管線分界處是否設(shè)置固定架；③消音器末端是否設(shè)置固定架；④吹掃管線限制性支架的設(shè)置。

2 吹掃工況注意事項(xiàng)

2.1 吹掃暖管

一般蒸汽管線敷設(shè)較遠(yuǎn)，所以暖管時(shí)間也較長，吹掃前，必須按規(guī)范規(guī)定的時(shí)間緩慢暖管，溫度穩(wěn)定后，檢查疏水是否通暢，及時(shí)排出凝結(jié)水，緩慢開啟、關(guān)閉閥門，防止水錘。某項(xiàng)目由于追求進(jìn)度，暖管過快，輸水不暢，蒸汽管道產(chǎn)生水擊，導(dǎo)致該中壓蒸汽管道π型彎一側(cè)的限位架被推壞而致失效，輸水管線被掰彎，管道位移過大，管道末端支架位移超出正常計(jì)算值，管托被“推下”結(jié)構(gòu)梁(見圖4)。

圖4 某中壓蒸汽管線暖管出現(xiàn)問題

2.2 彈簧定位裝置拔除

吹掃時(shí)，必須保證所有彈簧支吊架定位銷已拔除，防止彈簧在吹掃工況下失效，以致管道、管道相連設(shè)備及其他支吊架的破壞。

3 結(jié)語

蒸汽管線吹掃,尤其是高、中壓蒸汽管道，吹掃溫度高，危險(xiǎn)性較大，吹掃前必須進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。本文以某項(xiàng)目高壓蒸汽一段管線吹掃為例,進(jìn)行了詳細(xì)的應(yīng)力計(jì)算分析，包括管線吹掃前的準(zhǔn)備工作，結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境及施工狀況進(jìn)行配管，改善吹掃管線柔性，合理設(shè)置臨時(shí)支架，最后指出吹掃過程中需要注意的安全事項(xiàng)，用理論計(jì)算指導(dǎo)現(xiàn)場施工操作，保證了蒸汽管道吹掃工作安全完成，對今后的蒸汽管線吹掃方案的制定有一定的指導(dǎo)意義。