蒸汽管道設(shè)計(jì)與探討

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（常州化工設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 常州 213000）

1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

在設(shè)計(jì)中，僅按工藝使用的要求來考慮蒸汽管道的設(shè)計(jì)溫度和壓力是不夠的，某些外圍因素如離熱源如熱電廠的遠(yuǎn)近，蒸汽干管晝夜負(fù)荷變化帶來的溫度、壓力的變化往往直接影響設(shè)計(jì)參數(shù)的確定。因此，蒸汽管道的設(shè)計(jì)溫度、壓力參數(shù)應(yīng)根據(jù)管道系統(tǒng)在操作中可能遇到的最苛刻的壓力和溫度組合工況來確定，并保有一定的安全余量，且不小于管路系統(tǒng)安全泄放裝置的設(shè)定泄放壓力。

2 壓力管道等級(jí)的劃分

壓力管道是指最高工作壓力大于或等于0.1 MPa（表壓）的氣體、液化氣體、蒸汽介質(zhì)或可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、最高工作溫度高于或等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體，且公稱直徑大于或等于50 mm的管道。公稱直徑小于150 mm，且其最高工作壓力小于1.6 MPa（表壓）的輸送無(wú)毒、不可燃、無(wú)腐蝕性的氣體的管道和設(shè)備本體所屬管道除外。

壓力管道蒸汽的類別和等級(jí)應(yīng)根據(jù)管道使用性質(zhì)及設(shè)計(jì)溫度和壓力來確定：其中類別劃分為市政熱力管道GB2類和工業(yè)管道GCX類（X為數(shù)字）。GC類壓力管道級(jí)別劃分應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力劃分為GC1、GC2和GC3級(jí)。

蒸汽管道壓力管道等級(jí)的劃分規(guī)范了設(shè)計(jì)中管件、管材的選擇和檢驗(yàn)、檢測(cè)、探傷比例的確定。

3 蒸汽管道管件的選擇

3.1 管材

管材的選擇應(yīng)根據(jù)蒸汽管道的設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力確定，蒸汽管道一般選用輸送流體用無(wú)縫鋼管（GB/T 8163-2018）或中低壓鍋爐用無(wú)縫鋼管（GB3087-2008），在設(shè)計(jì)參數(shù)較高或有其他特殊要求時(shí)，也可采用高壓鍋爐無(wú)縫鋼管（GB5310-2017）或其他低合金鋼（如高溫工況下選用鉻鉬鋼），長(zhǎng)距離大口徑輸送，且設(shè)計(jì)溫度壓力參數(shù)不高的場(chǎng)合，為降低建設(shè)成本或采購(gòu)困難時(shí)，可選用螺旋焊接鋼管（GB/T9711-2017）等。

3.2 閥門

蒸汽管道用手動(dòng)切斷閥一般選用截止閥或閘閥，也可以選用高溫球閥。自動(dòng)閥或調(diào)節(jié)閥應(yīng)符合電氣控制要求，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般由電氣專業(yè)選型并應(yīng)符合閥門使用場(chǎng)合的要求；在需要調(diào)節(jié)壓力的場(chǎng)合，可以采用成套減壓裝置或手動(dòng)、自動(dòng)減壓閥組，減壓閥可根據(jù)使用控制要求采用手動(dòng)機(jī)械式或自力式；安全閥的選用應(yīng)采用全啟式安全閥并符合泄放量的要求，應(yīng)根據(jù)使用場(chǎng)合計(jì)算確定安全閥的口徑。疏水閥在蒸汽管道系統(tǒng)中起到鎖汽、排除凝水和不凝性氣體，并起到防止管道水擊，保障管道安全運(yùn)行的作用；所以，疏水閥應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)合選用不同形式的疏水器，在疏水量不大的情況下可選用熱動(dòng)力型或圓盤式疏水閥，在疏水要求較高的場(chǎng)合宜選用機(jī)械浮球或吊桶式疏水閥，并且疏水閥的疏水能力必須考慮安全放大系數(shù)。閥門的公稱壓力等級(jí)和允許使用溫度應(yīng)符合設(shè)計(jì)參數(shù)的要求。閥門在安裝前，應(yīng)根據(jù)不同的管道等級(jí)按比例進(jìn)行殼體壓力試驗(yàn)和密閉試驗(yàn)。

3.3 管道補(bǔ)償

由于蒸汽管道在實(shí)際使用運(yùn)行過程中溫度較高，有別于常溫管道，必須考慮安裝狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)之間溫差引起的熱膨脹，根據(jù)不同材料的線性膨脹系數(shù)和彈性模量，充分考慮管道的柔性設(shè)計(jì)是保證蒸汽管道安全運(yùn)行的前提條件。如果蒸汽管道設(shè)計(jì)中未考慮熱膨脹，造成柔性不足，將引起管道熱應(yīng)力（二次應(yīng)力）過大，固定支架處推力過大以及與設(shè)備管口連接處管口載荷過大的問題，從而影響管道系統(tǒng)和連接設(shè)備的安全運(yùn)行。在蒸汽管道柔性設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量采用自然補(bǔ)償，如采用U型補(bǔ)償器或增設(shè)彎頭改變管道走向等方式；當(dāng)安裝敷設(shè)空間限制不能采用改變管道敷設(shè)方向或增加彎頭時(shí)，可采用其他補(bǔ)償器如套筒補(bǔ)償器或軸向型波紋補(bǔ)償器等，但套筒補(bǔ)償器需更換填料，維護(hù)量太大，且存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，軸向型波紋補(bǔ)償器安裝在蒸汽管路上雖然外形美觀，維護(hù)量小，但其內(nèi)壓產(chǎn)生的盲板推力較大，造成土建（固定支架）工程造價(jià)增高。在市政長(zhǎng)距離輸送蒸汽管道上，采用旋轉(zhuǎn)型補(bǔ)償器是首先考慮的技術(shù)方案，其有補(bǔ)償量大且安全可靠的特點(diǎn)。所以，只有在管道施工空間受限的情況下才采用各類補(bǔ)償器。在條件允許的情況下應(yīng)采用自然補(bǔ)償，自然補(bǔ)償有推力小、維護(hù)量小、使用安全可靠的特點(diǎn)，其缺點(diǎn)是占用空間較大。另外，由于各類補(bǔ)償器均存在設(shè)計(jì)使用循環(huán)使用次數(shù)的問題，埋地蒸汽管道應(yīng)盡量采用自然補(bǔ)償。

4 焊縫檢查要求

蒸汽管道焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)是保障蒸汽管道施工質(zhì)量的重要技術(shù)手段。所以，在設(shè)計(jì)中應(yīng)明確蒸汽管道焊縫檢查要求，根據(jù)不同等級(jí)的蒸汽管道確定不同等級(jí)的焊縫檢查要求。一般蒸汽管道對(duì)接焊縫需進(jìn)行目視檢查、射線檢查或超聲檢測(cè)，特別對(duì)固定焊口，需增加檢測(cè)比例，某些重要的角焊縫或支管開口焊接處，需進(jìn)行磁粉或滲透檢測(cè)，各等級(jí)焊縫檢查應(yīng)符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。需要特別注意的是，不同類別的蒸汽壓力管道適用的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是不同的，如GB2級(jí)市政熱力蒸汽管道采用《無(wú)損檢測(cè) 金屬管道熔化焊環(huán)向?qū)咏宇^射線照相檢測(cè)方法》（GB/T12605-2008），而GC類工業(yè)蒸汽管道采用《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》（NB/T 47013-2015），且檢測(cè)比例和合格標(biāo)準(zhǔn)也是不相同的，需要根據(jù)不同類別、級(jí)別的蒸汽管道所對(duì)應(yīng)適用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范來確定。

5 蒸汽管道的試壓

蒸汽管道一般采用水壓試驗(yàn)，在水壓試驗(yàn)前，應(yīng)將不參與管道系統(tǒng)試壓的設(shè)備、管件（如安全閥）與管道系統(tǒng)分離，水壓試驗(yàn)壓力為1.5倍設(shè)計(jì)壓力乘以溫度修正系數(shù)，試驗(yàn)升壓應(yīng)緩慢，確保管系平緩應(yīng)變，達(dá)到試驗(yàn)壓力后，穩(wěn)壓10 min，無(wú)滲漏，無(wú)壓降后再將試驗(yàn)壓力降至設(shè)計(jì)壓力，停壓30 min，以壓力不降無(wú)泄漏為合格。在某些有特殊要求或限制的場(chǎng)合，也可采用氣壓試驗(yàn)、初次運(yùn)行壓力試驗(yàn)等替代壓力試驗(yàn)，但應(yīng)符合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。壓力試驗(yàn)中需要特別注意的是必須設(shè)置可靠、準(zhǔn)確地安全泄放裝置，以防止不可控情形下的試驗(yàn)壓力失控，保障壓力試驗(yàn)的安全進(jìn)行。

6 管道的防腐保溫

蒸汽管道防腐前必須徹底除銹，除銹可采用人工或機(jī)械的方式，使管道露出本色金屬光澤。除可免除防腐的蒸汽管道如市政熱力蒸汽管道外，蒸汽管道應(yīng)至少涂刷兩邊防腐底漆，刷漆表面應(yīng)干燥，禁止一面刷漆一面除銹，油漆應(yīng)采用符合設(shè)計(jì)溫度的高溫防銹漆，以防止因管道表面溫度高造成刷漆脫落。

蒸汽管道的保溫設(shè)計(jì)施工直接影響管道運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，良好的保溫結(jié)構(gòu)可以減少蒸汽管道運(yùn)行過程中的熱損失，提高蒸汽系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。確定蒸汽管道保溫厚度的首要條件的蒸汽管道的工作溫度，蒸汽管道保溫厚度一般采用經(jīng)濟(jì)厚度，需要注意的是當(dāng)管道運(yùn)行方式（季節(jié)/全年）和運(yùn)行環(huán)境（室內(nèi)/室外）不同時(shí)，相同運(yùn)行參數(shù)蒸汽管道保溫厚度的選擇是不同的。當(dāng)設(shè)計(jì)保溫厚度較厚時(shí)，可以采用多層包覆并增加熱輻射反射層的方式，可以有效提高保溫性能，管道保溫應(yīng)在管道強(qiáng)度試驗(yàn)合格后進(jìn)行，保溫材料的選擇應(yīng)遵循下列原則：保溫材料宜選用閉孔型且氧指數(shù)應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，材料的導(dǎo)熱系數(shù)低，具有較高的耐熱性，不致由于溫度急劇變化而喪失其原來的性能，材料密度小并具有一定的孔隙率。離心玻璃棉制品、硅酸鋁纖維制品保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)小，容重小，耐高溫性能強(qiáng)，并具備一定機(jī)械強(qiáng)度的保溫材料，在設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先采用。

7 管道的坡度、焊接接口、支吊架的質(zhì)量控制

蒸汽管道設(shè)計(jì)施工應(yīng)采用有坡度的敷設(shè)方式，且采用順坡即坡向與蒸汽流動(dòng)方向一致，以利冷凝水的排除，減少發(fā)生水錘的可能，保障管道的安全運(yùn)行。有許多施工人員對(duì)坡度不夠重視，認(rèn)為過熱蒸汽在輸送過程中不易產(chǎn)生冷凝水，安裝中出現(xiàn)無(wú)坡度或干管反坡敷設(shè)，但考慮到蒸汽管道因檢修或其他原因一旦停止輸送蒸汽，冷凝水局部滯留，再次啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，將可能產(chǎn)生水擊，導(dǎo)致管道疲勞，減少壽命，引起安全隱患，故過熱蒸汽管道也應(yīng)采用有坡度的敷設(shè)方式。

蒸汽管道接口采用焊接式，要求焊縫尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)焊瘤、咬肉、裂紋、孤坑、夾渣、氣孔等現(xiàn)象。一般壁厚大于等于3 mm的管道對(duì)接焊縫必須先按標(biāo)準(zhǔn)要求打坡口。

管道的支、吊、托架在熱力管道系統(tǒng)中起著非常重要的作用，合理設(shè)置支吊架，可以減小管道的一次應(yīng)力，限制管道的位移量。管道的支架有固定支架、活動(dòng)支架和導(dǎo)向支架，尤其是設(shè)計(jì)溫度參數(shù)較高，公稱直徑規(guī)格較大的熱力管道，其軸向推力較大，固定支架十分關(guān)鍵，不能與活動(dòng)支架混淆，否則補(bǔ)償器不能起到設(shè)計(jì)要求的作用甚至不起作用，后果嚴(yán)重。如果漏設(shè)固定支架，會(huì)造成蒸汽管道局部位移過大引起與設(shè)備連接支管位移過大，從而當(dāng)支管柔性不夠時(shí)導(dǎo)致支管與設(shè)備連接接口載荷過大，且運(yùn)行中造成位移過大處滑動(dòng)支架脫落，甚至?xí)蚴┕み^程漏設(shè)固定支架，管道盲板力或軸向推力集中于固定支架附近的管道拐彎處，引起二次應(yīng)力過大，造成拐彎處管道斷裂。管道托架及管托制作，必須結(jié)合管道保溫厚度設(shè)計(jì)其管托高度，避免高度過小造成管道移動(dòng)時(shí)保溫材料的破壞。施工時(shí)，確保活動(dòng)支架管托與支架頂保持平滑，減小摩擦力，必要時(shí)可采用聚四氟乙烯/鏡面不銹鋼摩擦付的方式以減小摩擦系數(shù)，從而減小固定支架處軸向推力。

8 應(yīng)力分析

蒸汽管道設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)初步方案布置圖建立力學(xué)模型，通過軟件（CAESARⅡ）采用有限元的應(yīng)力分析計(jì)算方法，分析管系、支架的位移和受力情況，應(yīng)力分析計(jì)算機(jī)構(gòu)主要應(yīng)控制管系的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、位移及與設(shè)備連接管口處載荷、固定支架處的軸向推力均在規(guī)范要求的合理的范圍內(nèi)，對(duì)于有較嚴(yán)格的控制泄漏要求場(chǎng)合，還應(yīng)建立法蘭密封件模型，分析計(jì)算法蘭密封件的載荷情況，使其載荷在允許使用范圍內(nèi)。如果不滿足以上條件，可以采用壓力等級(jí)較高的連接件，并通過結(jié)合操作使用要求現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整管道敷設(shè)走向或增設(shè)支吊架、補(bǔ)償器的方式，最終設(shè)計(jì)出最佳的管道布置方案。

9 結(jié)語(yǔ)

蒸汽管道設(shè)計(jì)的合理性，直接影響工程質(zhì)量的提高，最終體現(xiàn)在施工成本、運(yùn)行效果和使用壽命上。所以必須本著“用戶至上”的根本原則，設(shè)計(jì)要從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際出發(fā)，確保蒸汽管道設(shè)計(jì)施工質(zhì)量，做到安全、有效、節(jié)能，從而實(shí)現(xiàn)最大經(jīng)濟(jì)效益。