廠區(qū)外管廊上蒸汽管道的設(shè)計(jì)

孫炎彬

摘要：廠區(qū)外管廊上的蒸汽管道是銜接各工藝裝置的重要組成部分，現(xiàn)結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，淺談廠區(qū)外管廊上蒸汽主管的選材、布置和支架設(shè)計(jì)，蒸汽支管的布置，蒸汽管道的疏水設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：蒸汽主管;蒸汽支管;π形補(bǔ)償器;固定支架;導(dǎo)向支架;承重支架;疏水閥

0 ? ?引言

廠區(qū)外管廊上的蒸汽管道是銜接各工藝裝置的重要組成部分。根據(jù)蒸汽飽和程度的不同，可分為飽和蒸汽和過(guò)熱蒸汽。蒸汽的操作溫度一般在100～600 ℃，特殊情況下過(guò)熱蒸汽的溫度會(huì)超過(guò)600 ℃。一般石化裝置用蒸汽的主要用途包括動(dòng)力用、加熱用、工藝用、吹掃用、滅火/消防用、稀釋用、事故用。根據(jù)蒸汽管道操作壓力的不同，可以分為高壓蒸汽管道、中壓蒸汽管道和低壓蒸汽管道。譬如經(jīng)常被采用的10 MPa蒸汽為高壓蒸汽，4 MPa蒸汽為中壓蒸汽，1 MPa和3 MPa蒸汽為低壓蒸汽。

1 ? ?管廊上蒸汽主管的選材、布置和支架設(shè)計(jì)

管廊上蒸汽管道的材質(zhì)可根據(jù)蒸汽的溫度來(lái)選擇。若蒸汽溫度不超過(guò)400 ℃，可采用20#鋼;若蒸汽溫度大于400 ℃小于600 ℃，可采用15CrMo合金鋼;若蒸汽溫度大于600 ℃，需根據(jù)具體的溫度及介質(zhì)特性選用合適的耐熱鋼。20#鋼為低碳碳素鋼，強(qiáng)度低，具有良好的韌性、塑性和焊接性。15CrMo合金鋼在高溫的環(huán)境下還能保持較高的熱強(qiáng)性和抗氧化性，并具有一定的抗氫腐蝕能力，這種材質(zhì)的鋼管因含Cr元素，比無(wú)縫鋼管更耐高溫、腐蝕，所以15CrMo合金鋼在石油、化工、電力、鍋爐等行業(yè)經(jīng)常被采用。耐熱鋼是合金鋼，其在高溫下能保持較高的強(qiáng)度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，譬如06Cr18Ni11Ti鋼可耐高溫850 ℃，對(duì)應(yīng)ASTM 321材質(zhì)。

蒸汽管道大多為架空敷設(shè)。某石化項(xiàng)目透平裝置提供6根蒸汽管道，通過(guò)廠區(qū)外管廊輸送給各個(gè)化工裝置區(qū)用戶。其中2根為中壓過(guò)熱蒸汽管道，設(shè)計(jì)壓力5 MPa，設(shè)計(jì)溫度460 ℃;另2根是中壓蒸汽管道，設(shè)計(jì)壓力2 MPa，設(shè)計(jì)溫度365 ℃;還有2根是低壓蒸汽管道，設(shè)計(jì)壓力1.2 MPa，設(shè)計(jì)溫度275 ℃。根據(jù)各裝置區(qū)用戶的需求量，來(lái)計(jì)算全廠的蒸汽平衡，確定不同等級(jí)蒸汽所需的消耗量，再計(jì)算蒸汽管道的管徑。全廠蒸汽管網(wǎng)計(jì)算的最終結(jié)果是，中壓過(guò)熱蒸汽管道管徑為DN600，中壓蒸汽管道的管徑為DN700，低壓蒸汽管道的管徑為DN800。2根低壓蒸汽管道選用CL150的20#碳鋼，2根中壓蒸汽管道選用CL300的20#碳鋼，而2根中壓過(guò)熱蒸汽管道選用CL600的15CrMo合金鋼。

此項(xiàng)目廠區(qū)外管廊共9條，總長(zhǎng)約8 km，其中4條主管廊含有6根蒸汽主管，管廊共有3層，設(shè)計(jì)寬度為10 m，6根蒸汽管道布置在管廊的中間層。蒸汽管道布置原則是大口徑的管道靠近兩側(cè)管廊柱，溫度高的管道靠外側(cè)布置。因此，管道布置從左到右依次為DN600中壓過(guò)熱蒸汽管道、DN700中壓蒸汽管道、DN800低壓蒸汽管道、DN800低壓蒸汽管道、DN700中壓蒸汽管道、DN600中壓過(guò)熱蒸汽管道，左邊3根盡量靠左布置，右邊3根盡量靠右布置，中間位置可布置其他公用工程管道或作為管廊上的預(yù)留管位。管道水平間距除了考慮管道外徑、保溫厚度和最小凈距外，還應(yīng)考慮管道膨脹發(fā)生的橫向位移，需保持足夠的空間，避免管道相互擠壓。

管廊上管道的自然補(bǔ)償方案一般都是布置π形補(bǔ)償器，當(dāng)有多根管道都需加π形補(bǔ)償器時(shí)，宜集中成組布置。6根蒸汽管道集中布置的話可有多種配管方案，常規(guī)配管方案如圖1所示。

此方案每根蒸汽管道設(shè)一個(gè)π形補(bǔ)償器，兩根DN600中壓過(guò)熱蒸汽管道的π形補(bǔ)償器臂長(zhǎng)最長(zhǎng)，中壓蒸汽管道次之，低壓蒸汽管道最短;理由是管道的溫度越高，自身所需的自然補(bǔ)償量越大，需要的臂長(zhǎng)就越長(zhǎng)。π形補(bǔ)償器嵌套成組布置，在滿足管道柔性的同時(shí)，既節(jié)省空間，又整齊美觀。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后的配管方案如圖2所示。與圖1所示的方案對(duì)比，本方案的優(yōu)點(diǎn)是在相同的空間內(nèi)中壓蒸汽管道和低壓蒸汽管道的臂長(zhǎng)更長(zhǎng)，缺點(diǎn)是3根管道的π形補(bǔ)償器中部無(wú)法集中支撐。此方案蒸汽管道的自然補(bǔ)償能力更好，缺點(diǎn)反而顯得微不足道。π形補(bǔ)償器的臂長(zhǎng)可根據(jù)應(yīng)力分析要求往管廊外適量延伸，延伸時(shí)避開(kāi)管廊柱并考慮管道支撐即可。

蒸汽管道π形補(bǔ)償器的自然補(bǔ)償能力若要達(dá)到良好的效果，還得選擇適當(dāng)?shù)闹涡问?。蒸汽管道常用的支撐形式?種，分別為承重支架、導(dǎo)向支架和固定支架。支架的布置如圖3所示。

蒸汽管道帶有保溫層，所有支撐都需設(shè)置管托，管托的高度應(yīng)大于管道保溫層厚度，管托的長(zhǎng)度應(yīng)足夠長(zhǎng)以免出現(xiàn)脫落的情況。一般π形補(bǔ)償器都處于兩個(gè)固定點(diǎn)之間，將蒸汽管道的工藝參數(shù)和配管方案輸入CAESARII模型，進(jìn)行初步的應(yīng)力分析即可推算出兩個(gè)固定點(diǎn)之間的距離，最好對(duì)整個(gè)蒸汽管網(wǎng)包括支管在內(nèi)一起做應(yīng)力分析，而不要分段獨(dú)立做應(yīng)力分析。設(shè)置固定支架時(shí)，一種方式可以將管托焊接到結(jié)構(gòu)上，缺點(diǎn)是不易拆換;另一種方式是在管托的前后左右設(shè)限位，間隙可保留1～3 mm，特殊情況可根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果調(diào)整間隙。在π形補(bǔ)償器兩側(cè)一定距離可設(shè)置導(dǎo)向架，阻止管道產(chǎn)生大的橫向位移;導(dǎo)向支架的位置不宜設(shè)在彎頭和支管的旁邊，導(dǎo)向支架距π形補(bǔ)償器為32Dn～40Dn（Dn為蒸汽管道管徑），具體位置應(yīng)以應(yīng)力分析結(jié)果為準(zhǔn)。除固定支架和導(dǎo)向支架外，其他需承重的地方都設(shè)承重支架。當(dāng)管廊上有多根管道集中布置時(shí)，應(yīng)盡量錯(cuò)開(kāi)放置支架，使管道的推力作用在不同的結(jié)構(gòu)梁上，從而減少對(duì)管廊單一點(diǎn)的作用力，以免管廊柱設(shè)計(jì)規(guī)格過(guò)大，可以達(dá)到節(jié)省經(jīng)濟(jì)預(yù)算的目的。

2 ? ?管廊上蒸汽支管的布置

蒸汽支管的管徑應(yīng)根據(jù)裝置區(qū)內(nèi)用戶的蒸汽用量，結(jié)合全廠蒸汽管網(wǎng)平衡來(lái)計(jì)算。蒸汽支管從就近的廠區(qū)外廊上蒸汽主管上接出，銜接廠區(qū)外管廊的主管廊和裝置內(nèi)管廊之間的管廊為支管廊。蒸汽支管的布置需遵循以下要求：