管廊上蒸汽管道配管設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

葛吉紅(液化空氣(杭州)有限公司，浙江 杭州 310013)

0 引言

蒸汽在石油化工裝置中普遍應(yīng)用，不同壓力等級(jí)的蒸汽分別起到不同的作用。蒸汽可作為熱源用于工藝管道的伴熱、再沸器的熱源，也可作為某些動(dòng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)源。低壓蒸汽在公用工程軟管站中作為吹掃使用。蒸汽有多種劃分形式，按照不同的壓力等級(jí)進(jìn)行劃分，壓力從低到高依次為低壓蒸汽、中壓蒸汽、高壓蒸汽、超高壓蒸汽[1]。按照蒸汽的狀態(tài)可分為不飽和蒸汽、飽和蒸汽以及過(guò)熱蒸汽；按照飽和度劃分，可分為不飽和蒸汽、飽和蒸汽和過(guò)熱蒸汽。蒸汽管道管徑跨度極大，從DN15～DN800都有，其操作溫度區(qū)間大致為100～500 ℃；管廊上的蒸汽管道尤其是多根蒸汽管道，在設(shè)計(jì)過(guò)程中都會(huì)多次反復(fù)確認(rèn)，設(shè)計(jì)安全為整個(gè)裝置的安全穩(wěn)定及長(zhǎng)周期運(yùn)行提供必要的保障，是設(shè)計(jì)工作的首要目標(biāo)。本文以某大型石化項(xiàng)目?jī)艋b置，裝置內(nèi)管廊為例，分析管廊上各類蒸汽管道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，力求經(jīng)濟(jì)美觀且裝置能安全有效運(yùn)行[2]。

1 蒸汽管道的布置

隨著石油化工裝置逐漸規(guī)?；?fù)雜化以及大型化，裝置管廊三層、四層比較常見(jiàn)，多層管廊一般對(duì)不同用途的管道全部區(qū)分開(kāi)來(lái)分層放置。一層放置工藝管道，一層放置蒸汽管道，一層放置公用工程管道，頂層一般放置電氣儀表橋架，通常儀表氣體管道和儀表電氣橋架一起放置在管廊頂層。管廊上的蒸汽管道一般需要為管道的π型補(bǔ)償器單獨(dú)設(shè)置支撐框架，多根蒸汽管道的π型補(bǔ)償器在同一個(gè)支撐框架上形變，因而在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不同類型的蒸汽管道需要統(tǒng)一考慮，輸水閥門的設(shè)計(jì)要盡量集中，可以使用同一個(gè)操作檢修平臺(tái)。本裝置共有三種壓力等級(jí)的蒸汽：中壓蒸汽、中低壓蒸汽和低壓蒸汽。接下來(lái)將從多角度分析這三種不同壓力等級(jí)的蒸汽管道在管廊上的布置原則。

第一，蒸汽管道在管廊上的布置原則。蒸汽管道一般布置在液化烴等工藝管道的上層且單獨(dú)布置一層，若是只有一根蒸汽管道，考慮到π型補(bǔ)償器的設(shè)置，蒸汽管道一般都是布置在靠近管廊的最外側(cè)即靠近管廊立柱。蒸汽管道是熱力管道，不與低溫管道和液化烴管道相鄰放置。蒸汽管道相鄰布置時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意相鄰兩根蒸汽管道的最小凈距不應(yīng)低于500 mm。若蒸汽管道與電氣或儀表電纜橋架設(shè)置在同一層，考慮蒸汽管道對(duì)橋架的熱影響，兩者之間通常放置一根或者多根公用工程管道；當(dāng)受到管廊寬度影響時(shí)，若是相鄰布置，距離應(yīng)盡量大，最小凈距不應(yīng)低于200 mm；當(dāng)電氣或儀表電纜橋架和蒸汽管道在管廊的同一層時(shí)，橋架應(yīng)布置在該層管廊的上方且遠(yuǎn)離蒸汽管道，盡量不要在蒸汽管道上方交叉布置，兩者最小凈距不應(yīng)低于500 mm，當(dāng)蒸汽管道和生產(chǎn)水等非工藝管道布置在同一層時(shí)，考慮到蒸汽管道在運(yùn)行時(shí)有橫向位移，其與相鄰管道的最小凈距應(yīng)為考慮熱位移影響之后的距離，且不應(yīng)低于50 mm[7]。若是有保溫層，所有管道最小凈距從保溫層最外側(cè)開(kāi)始計(jì)算。

第二，不同壓力等級(jí)蒸汽管道的布置原則。蒸汽管道集中布置時(shí)，溫度較高、管徑較大的中壓蒸汽管道宜布置在靠近管廊立柱的外側(cè)，由外向內(nèi)依次布置中壓蒸汽管道、中低壓蒸汽管道及低壓蒸汽管道。因?yàn)橹袎赫羝艿雷鳛槿羝艿乐袦囟茸罡?、熱膨脹量最大的管道，需要設(shè)置較大的自然補(bǔ)償，便于更好地吸收管道的熱膨脹量。自然補(bǔ)償?shù)拇笮『投ㄎ辉谠O(shè)置時(shí)需經(jīng)過(guò)管道應(yīng)力的精確計(jì)算，確保蒸汽管道的正常運(yùn)行。

第三，蒸汽支管的布置原則。引入裝置內(nèi)的蒸汽支管一般從蒸汽總管向上90°或者順蒸汽流向45°引出。管廊上的蒸汽管道比較長(zhǎng)且蒸汽管道作為熱力管道在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大位移，最常用的自然補(bǔ)償方式便是設(shè)置π形補(bǔ)償器(π型彎)，在運(yùn)行時(shí)為了吸收水平位移，π形補(bǔ)償器會(huì)發(fā)生形變，產(chǎn)生較大位移，若是π形補(bǔ)償器上設(shè)置支管，支管會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，影響π形補(bǔ)償器吸收水平位移，嚴(yán)重時(shí)支管和主管連接處會(huì)產(chǎn)生裂紋，為裝置的安全運(yùn)行埋下隱患，因而在π形補(bǔ)償器上不得引出支管。在靠近π形補(bǔ)償器兩側(cè)的直管上水平位移相當(dāng)大，溫度越高位移越大，應(yīng)盡量避免在π補(bǔ)償器兩側(cè)引出支管，若是必須從此處引出支管時(shí)，須注意引出的支管不要影響主管的運(yùn)行。

第四，蒸汽放空管的布置原則。蒸汽放空管道直接排至大氣時(shí)，其出口需高于周圍平臺(tái)2 m以上，排放口打45°坡口，排放方向避免正對(duì)操作檢修平臺(tái)。為避免積液，在蒸汽排放管道的下彎頭處開(kāi)一個(gè)排液孔，該項(xiàng)目開(kāi)Φ8 mm的排液孔，并接上排液管引至排水溝。若是蒸汽支管上設(shè)置了切斷閥，切斷閥應(yīng)設(shè)置在支管的水平管道上，且靠近主管，當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，液體會(huì)流到主管，避免積液。如果放空管道上設(shè)置有消聲器，消音器運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，因而設(shè)計(jì)時(shí)消音器都是架高的[3]。

2 蒸汽管道的應(yīng)力分析

在開(kāi)車時(shí)突然間大量的高溫氣體進(jìn)入冷管道內(nèi)，管道會(huì)因?yàn)闇囟润E然升高而產(chǎn)生應(yīng)力，若是管道的局部應(yīng)力過(guò)大會(huì)使管道產(chǎn)生裂紋，埋下安全隱患。為管道增加補(bǔ)償量能有效減少管道應(yīng)力。自然補(bǔ)償和管道補(bǔ)償器補(bǔ)償是設(shè)計(jì)過(guò)程中常用的兩種方式。自然補(bǔ)償是通過(guò)改變管道走向增加管道柔性，吸收熱膨脹量。補(bǔ)償器補(bǔ)償是通過(guò)補(bǔ)償器的自身功能減少管道熱位移影響，使用補(bǔ)償器方便快捷但是造價(jià)高，從經(jīng)濟(jì)性考慮，設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先采用自然補(bǔ)償，

對(duì)管廊上布置的蒸汽管道，設(shè)置π形補(bǔ)償器是最常用的做法。蒸汽管道應(yīng)當(dāng)集中布置，集中設(shè)置π形補(bǔ)償器，集中考慮管道位移。π形補(bǔ)償器距離蒸汽管道兩個(gè)相鄰固定架的間距要相近或者相等，有利于對(duì)管道熱位移量的吸收。若實(shí)際情況無(wú)法滿足最佳位置的要求，也要將π形補(bǔ)償器設(shè)置在兩相鄰固定架1/3～2/3之間的位置。超出此范圍，將造成π形補(bǔ)償器兩側(cè)管道熱應(yīng)力的不均，直管段較長(zhǎng)一側(cè)的管道熱應(yīng)力會(huì)急劇上升，管道穩(wěn)定性下降。通過(guò)對(duì)管廊上蒸汽管道的整體應(yīng)力計(jì)算可得到π形補(bǔ)償器的設(shè)置位置、個(gè)數(shù)、大小、管道支架的設(shè)置類型。

常規(guī)的管廊上蒸汽管道的π形補(bǔ)償器設(shè)置如圖1所示。通常兩相鄰固定點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)10與90)之間的距離為50～120 m，一般為50～60 m左右[4]。管徑大、溫度高的蒸汽管道，運(yùn)行時(shí)熱位移也大，相鄰固定點(diǎn)間距可適當(dāng)減?。还軓叫?、溫度低的蒸汽管道，運(yùn)行時(shí)熱位移并非很大，因而間距可適當(dāng)增加。若是間距過(guò)大，受到熱膨脹量的影響，會(huì)造成管道失穩(wěn)。π形補(bǔ)償器兩側(cè)應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向支架如節(jié)點(diǎn)30和70，導(dǎo)向支架與π形補(bǔ)償器的間距應(yīng)大于40DN(管道公稱直徑)，以防止彎頭處彎曲應(yīng)力過(guò)大。π形補(bǔ)償器伸出段上的管架均為滑動(dòng)承重支架(節(jié)點(diǎn)40、50、60)，讓管架在管廊上自由滑動(dòng)，吸收管道的熱位移量。管廊上的蒸汽管道宜順蒸汽流向設(shè)置不小于0.3%的坡度，管道內(nèi)蒸汽冷凝液不易留存在管道內(nèi)。但π形補(bǔ)償器橫臂上的管道必須水平設(shè)置，不設(shè)坡度。

圖1 管廊上蒸汽管道π形補(bǔ)償器的典型布置

3 蒸汽管道的管架設(shè)置

蒸汽管道的管架設(shè)置應(yīng)嚴(yán)格按照應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)置。由于蒸汽管道的管徑大、溫度高，正常工作狀態(tài)下的管道熱膨脹量較大，在設(shè)計(jì)管道支吊架時(shí)要充分考慮熱位移的影響，宜選擇加長(zhǎng)管托。當(dāng)管道熱位移超過(guò)100 mm時(shí)，應(yīng)考慮采用管架偏置安裝，偏裝長(zhǎng)度為該管架經(jīng)應(yīng)力分析的最大位移量的1/2，偏裝方向?yàn)楣艿牢灰频南喾捶较?。也可采用在管廊支撐梁上預(yù)埋加長(zhǎng)鋼板，加長(zhǎng)管托支撐面的方法。

管托高度不僅要考慮管道保溫厚度的要求，還要考慮熱傳導(dǎo)因素，應(yīng)適當(dāng)增加管托高度，防止結(jié)構(gòu)梁表面過(guò)熱。若管道的水平推力較大，可在管架底板與結(jié)構(gòu)梁之間設(shè)置拋光不銹鋼板-聚四氟乙烯板(PTFE)，將摩擦系數(shù)降為μ=0.1。但要注意聚四氟乙烯板對(duì)溫度比較敏感，管托底部的溫度要低于200 ℃；放置于混凝土梁上時(shí)，管托底部溫度不宜超過(guò)60 ℃。當(dāng)蒸汽管道溫度較高時(shí)，普通的管托，經(jīng)過(guò)熱傳導(dǎo)從管道傳遞到鋼梁上造成較大的管道熱損，本項(xiàng)目大于350 ℃的蒸汽管道選用高效隔熱管托。

常用的高效隔熱管托大致分為焊接型、全包型、管夾型三種[5]。焊接型高效隔熱管托屬于焊接管托的一種，將管托直接焊接在管道上，故管托對(duì)管道本身溫度較為敏感，適用于溫度較低的低壓、中低壓蒸汽管道。全包型高效隔熱管托保溫性能好且能與管道同步移動(dòng)。但全包型高效隔熱管托在管道多次脹縮后易產(chǎn)生松動(dòng)，不適用于位移量較大的管道。管夾型高效隔熱管托由一對(duì)卡箍將管道用螺栓把緊，外部用保溫材料制作成一個(gè)整體，避免了管托與管道之間的焊接。

4 蒸汽管道疏水系統(tǒng)的設(shè)置

蒸汽管道介質(zhì)為飽和蒸汽時(shí)，無(wú)論管道保溫材質(zhì)有多好，保溫厚度有多厚，當(dāng)熱的蒸汽遇到冷的管道時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生一定量的凝液，這種情況下的熱量損失是不可避免的。在開(kāi)車或暖管時(shí)會(huì)先通入少量的蒸汽，讓管道溫度慢慢升高，這期間會(huì)產(chǎn)生冷凝液。由于重力的作用，冷凝液會(huì)積聚在蒸汽管道的底部，形成水膜。隨著冷凝液的數(shù)量不斷累積，水膜的厚度也隨之增加，當(dāng)冷凝液伴隨著蒸汽在管道中以每秒20～40 m的速度高速流動(dòng)時(shí)，最終形成了水彈。水彈在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)具有相當(dāng)大的動(dòng)量，當(dāng)遇到彎頭等障礙物時(shí)，動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)化為壓力能，壓力波將直接作用在障礙物上。如不能及時(shí)排除冷凝液，水彈將反復(fù)撞擊障礙物，形成水錘[6]。 水錘將大大降低管道及其附件的使用壽命，在嚴(yán)重的情況下甚至?xí)斐晒艿兰捌涓郊膿p壞斷裂。管道破裂處會(huì)噴出高溫高壓的蒸汽，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員的人身安全以及整個(gè)裝置的生產(chǎn)安全都會(huì)造成極其危險(xiǎn)的傷害。所以在蒸汽管道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取設(shè)置疏水系統(tǒng)的方法，及時(shí)排除管道中的冷凝液。

當(dāng)蒸汽管道在正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)當(dāng)先將管道內(nèi)在暖管或者開(kāi)車時(shí)產(chǎn)生的冷凝水全部排出，避免冷凝水造成的水擊現(xiàn)象破壞管道。介質(zhì)為過(guò)熱蒸汽的蒸汽管道只需設(shè)置集液包和倒淋閥；介質(zhì)為飽和蒸汽的蒸汽管道，需設(shè)置經(jīng)常性的排凝設(shè)施，包括集液包、倒淋閥和疏水閥。本裝置的蒸汽總管在每個(gè)π形補(bǔ)償器上游的低點(diǎn)位置設(shè)置集液包、倒淋閥和疏水閥，疏水閥前后設(shè)置切斷閥和倒淋閥，以便疏水閥出現(xiàn)故障時(shí)在線檢修。高壓、中壓、低壓的蒸汽凝液需分別回收，不得就地排放。DN≥50 mm的支管應(yīng)順介質(zhì)流向從凝液回收管道的頂部以45°斜接的方式接入；DN＜50 mm的支管可90°從凝液回收管上方接入[7]。典型疏水系統(tǒng)的設(shè)置如圖2所示。

圖2 典型疏水系統(tǒng)的設(shè)置

5 蒸汽管道配管設(shè)計(jì)其他注意事項(xiàng)

5.1 蒸汽管道界區(qū)切斷閥的設(shè)計(jì)

蒸汽作為保證化工裝置正常生產(chǎn)的重要工藝介質(zhì)，各單元的蒸汽分支管道與蒸汽總管在界區(qū)處宜設(shè)置切斷閥門，以免由于個(gè)別閥門損壞引起裝置或全廠停車。切斷閥的上游宜設(shè)置集液包、倒淋閥和疏水閥，及時(shí)排除蒸汽管道內(nèi)的冷凝液。從蒸汽主管引出的蒸汽支管通常采用雙重切斷，截止閥+止回閥，或者截止閥+截止閥。設(shè)置切斷閥不僅要滿足工藝的要求，也應(yīng)充分考慮到閥門的可操作性，以及檢修的便利性，將之布置在合適的方位。

5.2 蒸汽伴熱站的設(shè)計(jì)

管廊上的蒸汽管道不僅為各裝置單元提供各類型的蒸汽外，另一重要用途就是作為伴熱介質(zhì)為管廊上需要伴熱的管道提供熱源。蒸汽伴熱管常選用低壓蒸汽進(jìn)行伴熱。從蒸汽主管道上引出一根支管去蒸汽分配站，該管道通常管徑不會(huì)特別大，從管廊上引出時(shí)依托管廊做管道支撐直至地面上的蒸汽分配站。管道布置時(shí)應(yīng)注意管道柔性，以免產(chǎn)生較大的管道應(yīng)力。蒸汽分配站上設(shè)置多組閥門，每一根蒸汽伴熱管道具有相對(duì)的獨(dú)立性。

5.3 蒸汽管道的防凍設(shè)計(jì)

北方比較寒冷，在冬季經(jīng)常結(jié)冰，許多工藝管道都需要蒸汽伴熱以確保裝置的正常運(yùn)行。但在裝置大修或者遇到突發(fā)事故停車時(shí)，驟然的溫度下降，水會(huì)短時(shí)間內(nèi)凝結(jié)成冰，若是蒸汽管道內(nèi)的水不及時(shí)排出會(huì)將蒸汽管道凍裂，閥門凍壞。蒸汽管道的盲端和死區(qū)內(nèi)的水是最大的安全隱患，因而在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意盡量避免盲端、死區(qū)的存在。在下列位置應(yīng)設(shè)置緊急排液管道[8]：

(1)蒸汽管道的最低點(diǎn)尤其是形成液袋的最低點(diǎn)；

(2)蒸汽管道的兩個(gè)切斷閥之間；

(3)蒸汽管道入口的調(diào)節(jié)閥前；

(4)蒸汽管道的末端；

(5)管廊上每隔多少米蒸汽管道應(yīng)當(dāng)設(shè)置排液的位置。

排出蒸汽管道內(nèi)的凝液對(duì)管道的安全運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用，尤其是寒冷地帶的裝置，一次事故停車會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)考慮到所有可預(yù)見(jiàn)性的安全措施，安全運(yùn)行是重中之重。

6 結(jié)語(yǔ)

在石油化工裝置中蒸汽管道是非常重要的管道，其高溫高壓的特性在設(shè)計(jì)過(guò)程中引起高度重視，工藝配管的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)裝置的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行十分關(guān)鍵。對(duì)每一個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工之后，都要及時(shí)總結(jié)和改進(jìn)，真正做到設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)際的互相結(jié)合，運(yùn)用到今后的設(shè)計(jì)項(xiàng)目中。