玻璃工廠(chǎng)蒸汽管道的設(shè)計(jì)研究

施張峰

(中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司，上海 200063)

改革開(kāi)放后，我國(guó)經(jīng)濟(jì)逐年穩(wěn)定增長(zhǎng)，特別進(jìn)入21世紀(jì)后，人們對(duì)于工廠(chǎng)的節(jié)能環(huán)保、舒適性以及美觀(guān)性有著更高的要求。玻璃工廠(chǎng)有著穩(wěn)定的蒸汽來(lái)源。若充分利用這部分蒸汽，可以減少電能以及其他能源的使用，對(duì)于節(jié)能環(huán)保有著重要的意義。在玻璃工廠(chǎng)里，蒸汽可用于原料混合機(jī)的加熱、重油的伴熱以及均化庫(kù)的采暖等用途。

1 蒸汽管網(wǎng)的走向和敷設(shè)方式

蒸汽管網(wǎng)的廠(chǎng)區(qū)走向應(yīng)該走在設(shè)計(jì)的最前沿，在確定廠(chǎng)區(qū)站房的方位以及站內(nèi)設(shè)備的擺放時(shí)，應(yīng)充分考慮未來(lái)管網(wǎng)的走向，防止出現(xiàn)管線(xiàn)繞路的現(xiàn)象，盡量減少建造成本。管線(xiàn)的走向應(yīng)按照經(jīng)濟(jì)型和安全性?xún)蓚€(gè)基本原則。經(jīng)濟(jì)型即管道的走向力求短直，考慮管線(xiàn)時(shí)應(yīng)全局考慮廠(chǎng)區(qū)的各個(gè)管道的走向，統(tǒng)籌兼顧，力求管路短且直，盡可能減少沿程壓力損失；安全性即與可燃有毒管道共架時(shí)，查看相關(guān)規(guī)范與其保持足夠的管距。除此之外，管網(wǎng)的走向還需考慮整體廠(chǎng)區(qū)的美觀(guān)性，地上管架盡量少走主干道兩邊，盡量少穿主道路，能沿站房?jī)?nèi)墻敷設(shè)的盡量沿站房?jī)?nèi)墻，特別是現(xiàn)在玻璃工廠(chǎng)為了節(jié)能和美觀(guān)，會(huì)有大面積的玻璃幕墻。

廠(chǎng)區(qū)蒸汽管網(wǎng)的敷設(shè)方式主要有架空敷設(shè)、埋地敷設(shè)以及管溝敷設(shè)。鑒于玻璃工廠(chǎng)地下可埋管空間少，地下管網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜且廠(chǎng)區(qū)會(huì)有燃料油、氫氣、氧氣等一些可燃或助燃介質(zhì)的架空管道，一般情況下蒸汽管道采取和壓縮空氣、氫氣、氮?dú)獾裙艿拦布艿姆笤O(shè)方式。采用這種敷設(shè)方式可節(jié)約占地面積，也可減少建設(shè)成本。如果在去蒸汽用戶(hù)點(diǎn)的走向上，沒(méi)有與其共架的管架，在蒸汽管道本身管徑較小，數(shù)量較少的情況下，亦可采用埋地敷設(shè)或者管溝敷設(shè)。

2 蒸汽管網(wǎng)的支架跨距

蒸汽管網(wǎng)的支架間距取決于管架上跨距最小的管道的跨距，管道支吊架的跨距取決于管材的強(qiáng)度、管子截面積、外荷載大小、管道敷設(shè)的坡度以及管道允許的最大擾度。管道的最大跨距需同時(shí)滿(mǎn)足管道強(qiáng)度和剛度兩個(gè)條件，強(qiáng)度條件應(yīng)滿(mǎn)足管道自重彎曲應(yīng)力不超過(guò)設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力的一半，剛度條件一般滿(mǎn)足管道自重產(chǎn)生的彎曲擾度不超過(guò)15 mm。

按強(qiáng)度條件來(lái)確定管道支吊架的跨距，對(duì)于均布荷載的的水平管道，最大允許的跨距可按式(1)[1]計(jì)算

(1)

式中,LMAX為管道支吊架最大允許跨距，m；q為管道單位長(zhǎng)度計(jì)算荷載，N/m,包含管道材料介質(zhì)、保溫層以及其他附加材料的荷載；w為管道截面系數(shù)，cm3；φ為管道橫向焊接系數(shù)；[σ]t為鋼管熱態(tài)許用應(yīng)力，MPa。

按剛度條件來(lái)確定管道支吊架的跨距時(shí)，按管道自重產(chǎn)生的彎曲擾度不應(yīng)超過(guò)跨距的0.005。對(duì)于均布荷載的水平管道，最大允許的跨距可按式(2)[1]計(jì)算

(2)

式中，Et為在計(jì)算溫度下的管道鋼材彈性模量，MPa；I為管道截面二次矩，cm4；i0為管道放水坡度，i0≥0.002。

對(duì)于不同蒸汽管道按強(qiáng)度和剛度分別計(jì)算其跨距，取兩者較小值為該管道的允許跨距。廠(chǎng)區(qū)管網(wǎng)中共架敷設(shè)的管道中有時(shí)候跨距相差較大，小管道影響了管架的整體跨距，導(dǎo)致管架布置密集，增加了成本也影響了美觀(guān)。這種情況下一般采用局部增大管道管徑或者采用加強(qiáng)板來(lái)增加截面系數(shù)，以此來(lái)達(dá)到增大跨距的目的。

現(xiàn)在玻璃工廠(chǎng)對(duì)于美觀(guān)性有著較高的要求，因此在管網(wǎng)的設(shè)計(jì)中盡可能多的采用桁架的形式，減少落地支腿的數(shù)量。落地支腿除了要避開(kāi)地下管網(wǎng)，還需要考慮不影響周邊站房的美觀(guān)，盡量避開(kāi)在窗戶(hù)前立支腿。

3 蒸汽管網(wǎng)的固定支架

雖然玻璃工廠(chǎng)的蒸汽管網(wǎng)是165 ℃、0.6 MPa的飽和蒸汽，溫度和壓力相比于其他工廠(chǎng)都較低，但仍存在著熱脹冷縮的現(xiàn)象。為了防止管道位移過(guò)大，一般需要在合適的位置上設(shè)置固定支架。固定支架的設(shè)置有兩個(gè)基本原則：一是管道的熱伸長(zhǎng)量不能超過(guò)所設(shè)補(bǔ)償器允許的補(bǔ)償量，二是管道膨脹所帶來(lái)的推力不能超過(guò)支架所能承受允許的推力[2]。

管道的伸長(zhǎng)量按式(3)[1]計(jì)算

ΔL=Lα(t1-t2)

(3)

式中，ΔL為管道伸長(zhǎng)量，cm；L為計(jì)算管長(zhǎng)，m；α為管道的線(xiàn)膨脹系數(shù)，cm/(m·℃)；t1為管道內(nèi)介質(zhì)溫度，℃；t2為管道設(shè)計(jì)安裝溫度，℃，一般取20 ℃。

固定支架是用來(lái)承受管道熱伸長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生的推力，正常情況下固定支架一般設(shè)計(jì)的比活動(dòng)支架堅(jiān)固。因此，固定支架的間距會(huì)影響到整個(gè)管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性。

固定支架的垂直荷載和活動(dòng)支架的荷載一樣，包括管道本體、管道附件(法蘭、閥門(mén)等)、保溫結(jié)構(gòu)、管道內(nèi)介質(zhì)的荷載以及考慮到管道水壓試驗(yàn)時(shí)的水重，還有一些風(fēng)雪、灰塵等。而沿著管道軸線(xiàn)方向的水平荷載是固定支架考慮的重點(diǎn)，在玻璃工廠(chǎng)中，通常采用剛性支架，固定支架除了活動(dòng)支架也需要考慮的管道與管架之間的摩擦力外，還需要考慮補(bǔ)償器的反彈力以及不平衡內(nèi)壓力。

補(bǔ)償器的反彈力包括π型補(bǔ)償器和自然補(bǔ)償?shù)姆磸椓Γ行脱a(bǔ)償器的反彈力相比于自然補(bǔ)償反彈力大不少，因此在較長(zhǎng)直線(xiàn)段設(shè)置補(bǔ)償器時(shí)，通常補(bǔ)償器之間的距離以及固定支架之間的距離最好相等或近似。以此來(lái)達(dá)到減少補(bǔ)償器反彈力的作用，從而減少支架大小，減少建設(shè)成本。

管道內(nèi)的不平衡壓力形成條件較為苛刻，在玻璃工廠(chǎng)里較為少見(jiàn)。補(bǔ)償器設(shè)置合理的話(huà)，補(bǔ)償器的反彈力大都可以相互抵消，管道內(nèi)的不平衡壓力在玻璃工廠(chǎng)的蒸汽管網(wǎng)里幾乎不會(huì)存在。固定支架的推力大于活動(dòng)支架的主要原因還是在摩擦力上，即中間活動(dòng)支架通過(guò)管道傳給固定支架的反作用力，對(duì)于剛性支架時(shí)即為固定支架至補(bǔ)償器之間各活動(dòng)支架的摩擦力之和。管架上管道數(shù)量較少時(shí)，可按摩擦系數(shù)乘以垂直荷載，再乘以1.5的放大系數(shù)即可得到單個(gè)活動(dòng)支架的摩擦力，但當(dāng)管架上除了蒸汽管道，還有大量的其他熱管如熱水管、凝結(jié)水管、油管以及其他常溫管道如壓縮空氣管、氮?dú)夤堋錃夤艿葧r(shí)，管道之間會(huì)發(fā)生牽制作用，從而減少管架整體的摩擦力。牽制作用的大小和管道的布置方式有關(guān)[3]：1)管架上的管道數(shù)量越多，牽制作用越大。2)管架上的常溫管道比例越大，牽制作用越大。3)管架上介質(zhì)溫度高的和介質(zhì)溫度低的，管道重量大的和輕的排列越對(duì)稱(chēng)，牽制作用越大。4)支架層數(shù)越多，牽制作用越大。5)溫度較高的管道設(shè)在一側(cè)時(shí)，牽制作用較小。6)管道同時(shí)啟動(dòng)時(shí)，牽制作用較小。

管道設(shè)計(jì)中，各個(gè)介質(zhì)的管道布置盡可能的增大牽制效果，從而減少支架的摩擦力。不同情況下的牽制系數(shù)可查閱相關(guān)的動(dòng)力手冊(cè)。蒸汽管道一般設(shè)置在管架的最下層，利于管架整體的穩(wěn)定以及疏水管道的設(shè)置。

4 蒸汽管網(wǎng)的熱補(bǔ)償

在考慮蒸汽管網(wǎng)的固定支架時(shí)，蒸汽管網(wǎng)的熱補(bǔ)償也會(huì)相應(yīng)的考慮。蒸汽管網(wǎng)設(shè)計(jì)中要重視固定支架和補(bǔ)償器的設(shè)置，蒸汽管道與其他常溫管道的區(qū)別就是管道存在熱脹冷縮引起的問(wèn)題。而固定支架和補(bǔ)償器就是為了蒸汽管道在使用狀態(tài)下及熱狀態(tài)下的穩(wěn)定和安全，減少管道熱脹冷縮引起的應(yīng)力而設(shè)置的。玻璃工廠(chǎng)蒸汽源頭到各個(gè)用氣點(diǎn)距離較短，因此熱補(bǔ)償?shù)脑O(shè)置通常采用自然補(bǔ)償。自然補(bǔ)償是利用管道系統(tǒng)中出現(xiàn)的彎頭、垂直和水平等空間走向的形狀，引起管道本身彈性彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，以達(dá)到熱脹和冷縮的要求[3]。在自然補(bǔ)償無(wú)法滿(mǎn)足時(shí)，會(huì)采取π型補(bǔ)償器。自然補(bǔ)償有L型直角彎補(bǔ)償、Z型折角彎補(bǔ)償以及空間立體彎補(bǔ)償這三類(lèi)主要形式。自然補(bǔ)償通常長(zhǎng)臂不超過(guò)25 m，大管徑可適當(dāng)放寬，但不應(yīng)超過(guò)30 m。自然補(bǔ)償是否能滿(mǎn)足管道熱伸長(zhǎng)量需要按公式進(jìn)行驗(yàn)算，若驗(yàn)算不通過(guò)，則說(shuō)明該固定支架設(shè)計(jì)不合理，需重新設(shè)計(jì)固定支架。

當(dāng)自然補(bǔ)償無(wú)法滿(mǎn)足管道的熱伸長(zhǎng)量時(shí)，通常需要在固定支架中間設(shè)置π型補(bǔ)償器。π型補(bǔ)償器補(bǔ)償能力需滿(mǎn)足管道的熱伸長(zhǎng)量，π型補(bǔ)償器的型號(hào)大小以及補(bǔ)償能力可查閱相關(guān)手冊(cè)。在π型補(bǔ)償器的外伸臂約40倍公稱(chēng)直徑下設(shè)置導(dǎo)向支架，限制管道的垂直于流向方向上的位移。另外π型補(bǔ)償器在安裝時(shí)需預(yù)拉伸，在玻璃廠(chǎng)蒸汽溫度較低的情況下，通常是計(jì)算熱伸長(zhǎng)量的一半，預(yù)拉伸需在設(shè)計(jì)中注明。π型補(bǔ)償器雖然有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、水平放置無(wú)需疏水、冷凝水回收率高等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)蒸汽管道開(kāi)始使用時(shí)，應(yīng)注意避免管道的水擊現(xiàn)象[4]。在滿(mǎn)足以上條件下，還需要考慮π型補(bǔ)償器的布置對(duì)管架整體的美觀(guān)和協(xié)調(diào)。

5 結(jié) 語(yǔ)

文中所述只是蒸汽管道設(shè)計(jì)中的一部分，蒸汽管道的設(shè)計(jì)還需要考慮疏水、管架支托、荷載等一系列問(wèn)題。由于玻璃工廠(chǎng)一個(gè)窯期內(nèi)大部分生產(chǎn)不可暫停，因此生產(chǎn)用的蒸汽管網(wǎng)的穩(wěn)定性尤為重要，任何一個(gè)小問(wèn)題都有可能影響到玻璃生產(chǎn)線(xiàn)的正常運(yùn)行。