高压蒸汽管道设计施工若干问题探讨

姜锦程，李玉国

（东华工程科技股份有限公司，安徽合肥 230024）

高压蒸汽管道设计施工若干问题探讨

姜锦程，李玉国

（东华工程科技股份有限公司，安徽合肥 230024）

结合多个煤化工项目设计及现场实际情况，对高压蒸汽管道应力分析设计及实际运行过程中出现的问题进行分析探讨，着重从设计、施工、安装三方面阐述了高压蒸汽管道设计布置及管道支吊架选用时应注意的一些事项。

高压蒸汽管道；管道支吊架；应力分析

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.008

在石油化工等项目中，存在着大量汽水管道，由于管道布置不合理、支吊架设计选用不当及其施工不到位等原因，常常发生管道振动、管架脱落等现象，严重影响管道的使用寿命，甚至会引起安全事故。特别是高压蒸汽管道本身具有高温、高压、高流速的特点，同时又作为全厂的主动力管道，高压蒸汽管道设计的好坏，将直接影响整个装置的运行。本文结合多个煤化工项目设计及现场实际情况，对高压蒸汽管道设计布置、管道支吊架设计及施工进行详细地分析和探讨。

1　严谨的设计态度

高压蒸汽管道通常由锅炉产出，用来驱动透平或用于发电，作为高压高温管道，应优先对其进行合理布置，布置管道设计人员应提前与管道应力分析设计人员沟通，确定初步走向，经软件核算后的布置设计严禁随意修改。特别是在大型项目中，常由多个装置院联合设计，装置交接条件一定要充分沟通，再三确认，以避免现场出现问题。

某化工项目两装置管廊高压蒸汽交接处因两方设计人员沟通不充分，实际管道交界处存在2 500mm高差，且弯头离滑动架很近，导致图1中原设计固定架（A位置）不能保留，需修改支架形式，经核算，原A位置固定架改为滑动架，并在A位置支架左侧6 000mm处新增轴向限位架+导向架（B位置），见图2，这样既保证了管系的刚度又满足柔性。但整个过程使项目工期延误，并造成一定的经济损失。若在设计过程中，设计人员保持严谨的态度和良好的专业沟通，这些损失都是可以避免的。

图1　原设计走向

图2　现场修改走向

2　合理的管道布置

高压蒸汽管道流速相当高，国内通常将DN200及以上规格划为振动管线［1］，蒸汽沿管道输送过程中，遇到弯头、三通、异径管等元件时流态会发生改变，严重时将引起管道振动，故设计时应进行多方面的考虑，在保证管道柔性的前提下，尽量提高管系的刚度，且布置管道走向时，宜尽量避免多个支管对流汇入主管的情形发生，对于存在不可避免的汇流情况，应保证各汇流点之间相隔距离尽可能远，防止相互影响，引起局部管系的振动。

某煤制乙二醇项目在正常生产时，3台300 t/h高温高压循环流化床锅炉2开1备，原高压蒸汽管道设计走向见图3，锅炉正常运行5个月后，2号锅炉负荷提升至250 t/h左右后，主蒸汽管道振动明显，尤其是在2#锅炉与蒸汽主管汇流口三通处振动非常严重，并引起厂房共振，迫使锅炉停车整改。此管线经应力分析核算，一次应力、二次应力、所有热位移、管口力和力矩均在许可范围之内，管道支吊架也无问题，但经仔细研究布置，发现2#锅炉与蒸汽主管汇流口和蒸汽主管等径三通汇流出口的距离过近，导致蒸汽流态急剧变化。使用 ANSYS（CFX模块）模拟湍流强度分布，2#锅炉与蒸汽主管汇流口和蒸汽主管等径三通汇流口之间的湍流强度最大。经与布置管道专业多方协商后，建议管道走向修改为图4所示，再次模拟计算，以前强烈振动区域湍流强度已明显减弱。

图3　原设计走向与湍流强度分布

图4　修改后走向与湍流强度分布

3　恰当的管架设置

正确地选用管道支吊架是高压蒸汽安全运行第一保证，然而经过多个项目的现场检查发现，管道支吊架存在各种各样的设计选用、施工问题，为此对高压蒸汽管道支吊架常见问题举例分析，以期引起足够重视。

3.1固定架

固定架既能分配管道热位移，又能保证管系的刚度，在高压蒸汽管系中的地位举足轻重，合理的设置并保证施工质量对于维持管系的稳定运行起了巨大作用。固定架位置设置应与管道应力计算要求一致，当确实由于现场特殊原因导致原设计固定架不能施工时，应及时与管道应力分析人员联系，确定新固定架位置或修改支架形式；切勿因施工不当等原因将普通支架变成固定架，如滑动架施工时埋入基础内、滑动架点焊等，此类问题在管道运行前一定要加强检查，及时整改；固定架应有足够的强度和刚度，设计选用时应考虑其承载能力，以避免运行时由于固定架损坏，导致管系运行受到影响，甚至停车整改。

某煤化工项目锅炉厂房内主蒸汽管道固定架没有严格按图纸施工，固定架预埋钢板只是简单地焊4个圆钢到下面梁的主筋上，见图5，致使管道正常运行时固定架被拔出，管系发生偏转，附近滑动架翘起，整个管系的热位移因失去固定架的限制而无法控制，管系因失稳而发生剧烈振动，紧急停车后修复附近普通支架，将发生偏转的管系尽量复位至原安装状态，将所有的固定架下发的梁表层混凝土破开，预埋板直接满焊在梁的主植筋上，见图6。

图5　出现问题的固定架预埋钢板

图6　梁主植筋

3.2限位架

限位架作为特殊约束型管架，可以限制一个或多个方向的线位移，特别适合于敏感设备的管道，如高压蒸汽汽轮机进口管道。限位架需要可靠的、刚性好的生根结构，受力后生根结构不应有明显的挠度；在设计过程中常出现定值限位架，限位架留有若干毫米的空隙，当位移量超过此数时起限位作用，所以限位架要求施工准确，必要时可采用可调节的结构。对于水平力较大的限位架，受力点尽量在管道中心线上，避免产生过大的弯矩。与普通支架相比，限位架对于施工精度要求更高，当施工质量导致限位间隙不能达到设计要求时，将直接影响敏感设备管口的受力，甚至影响动设备运行，现场出现问题时应与管道应力人员联系，如果不能满足要求，应及时整改。

某煤化工项目汽轮机厂房内高压蒸汽管道走向见图7，图中A处和B处分别设置2个轴向限位架，其目的是减小汽轮机管口在两个水平方向的力和力矩，其中A处限位架轴向力为1.4 t，此管道距地面高度5.5m，管线吹扫时发现A处限位架立柱和基础间松动，见图8，限位间隙超过设计要求，管道有明显的横向偏移，附近弹簧顶板偏离管托中心，经模拟计算，汽轮机口力和力矩超出许用范围，影响汽轮机安全运行，停车后由结构专业配合重新核算，两侧新增斜撑，增强此处限位架的刚度，保证限位架承受水平推力时管道的限位位移不超过2mm。

图7　汽轮机进口高压蒸汽管线

图8　出现问题的限位架基础

3.3 弹簧支吊架

高压蒸汽温度较高，在管道设计过程中，不可避免会使用弹簧支吊架。通常情况下，弹簧支吊架按热态吊零设计，管道在热态工况下具有良好的载荷分配，弹簧荷载变化率控制在25%以内。但对于汽轮机等敏感动设备，管口运行时要求的力和力矩都非常严格，弹簧荷载变化率需控制在10%以内。

高压蒸汽管道弹簧常见的问题有弹簧安装空间不够、弹簧位置装错、弹簧没有按照标准设置导向筒导致荷重柱偏斜受力不均等。其中，弹簧安装空间不够这一问题的出现，通常是由设计时管道支架安装高度计算错误，或施工时候误差，导致弹簧的安装空间小于计算的弹簧安装高度。此类问题整改麻烦，耗时多，整改成本高，只能通过过量下拧弹簧荷重柱，降低弹簧高度来满足安装需要，当管道热位移向下时，弹簧荷重板与壳体之间空间较小，限制管道热变形，见图9。

图9　弹簧安装空间不够

3.4滑动管托

在操作温度下，由于高压蒸汽管道线膨胀量导致各滑动支架处水平位移较大，特别是L形弯或者π形补偿器弯头附近管架位移更为明显，如若所选用管托长度不够或者管托没有按要求偏装，管托易发生偏转甚至脱落。

某项目主管廊高压蒸汽管道管托选用长度不够，运行时管托发生偏转，见图10，若不及时发现，有可能会发生管托掉落伤人的事故，且影响蒸汽管道的正常运行，有很大的安全隐患。所以设计人员设计管托时，需根据应力计算书上管架处水平位移量，选用合适管托，如果水平位移量较大，可选用加长管托，必要时可按热位移的三分之一进行管托的反向偏置安装。

图10　运行时管托偏转

3.5吹扫过程中出现的支架问题

高压蒸汽管路在制作、焊接及安装过程中，难免有脏物进入管道，而且在进行切割、打磨焊口及焊接等工作时，管道内壁可能附有金属氧化物、焊渣等杂质，如不及时清理，可能堵塞滤网，损坏汽轮机叶片；蒸汽吹扫是利用蒸汽在管道中的高速流动对固体杂质进行冲刷，并利用吹扫过程中蒸汽温度的反复升降，使依附在管道上的氧化皮、焊渣等杂质脱落并吹出管外。在此过程中，由于管夹与高压蒸汽管道所受热膨胀系数有些微差别，且管夹和管道间有隔热材料层，经过多次升温、降温以后，管夹出现松动，以至于管托逐渐被推偏管中心，尤其是π弯横臂上的两个滑动架尤为明显，如不采取一定措施，最终管托将发生偏转并滑落，图11为某现场高压蒸汽管道吹扫过程中几次循环以后，常温下管托已不能复位，从现场管托底部痕迹很明显看出，管托向外部移动约60 mm，并随着吹扫循环次数的增加，不断增大，如不及时整改将导致管托滑落。

图11　吹扫过后滑动管托不能复位

根据GB/T 20801.4—2006第10.2.6条，这种情况理论上可以通过螺母热紧解决，具体如下。

高温或低温管道法兰的螺栓，在试运行时应按下列规定进行热态紧固或冷态紧固：①管道热态紧固、冷态紧固温度应符合表1的规定；②热态紧固或冷态紧固应在达到工作温度2 h后进行；③紧固螺栓时，管道最大内压应根据设计压力确定。当设计压力≤6 MPa（g）时，热态紧固最大内压应为0.3 MPa（g）；当设计压力＞6 MPa（g）时，热态紧固最大内压应为0.5 MPa（g），冷态紧固应卸压后进行；④紧固应适度，并应有安全技术措施，保证操作人员安全。

表1　管道热态紧固、冷态紧固温度

根据表1，高压蒸汽管道一次热紧温度和二次热紧温度分别为350℃和工作温度，且通常高压蒸汽均布置在管廊最上层，施工人员很难靠近管托进行热紧操作，因此建议π弯横臂上的支架管托采用一定的防滑脱措施或者直接采用焊接型管托，以免给蒸汽吹扫带来很大困扰。

3.6汽轮机口无应力安装导致的支架问题

为避免外力作用于汽轮机机组本体上，保证机组始终处于自由状态，机组主进出气管必须采用无应力连接技术，这就对高压蒸汽接汽轮机管道现场安装提出很高的要求，汽轮机机组安装严禁从汽轮机本体开始，而应从外部管线或设备开始，并尽量保证管线下料和焊接的精度，以降低汽轮机口法兰无应力连接时的难度。管线最后一个焊口的焊接相当关键，应设在离汽轮机较远的地方，以减少焊接应力对机组的影响。

某些现场施工单位为简化安装步骤、降低安装难度，施工时随意下料、焊接，导致管道安装成型后不能保证汽轮机机组的同心度，只能去掉汽轮机口附近弹簧定位销，通过调整汽轮机管口附近弹簧荷载来满足现场无应力安装要求，致使局部弹簧过载损坏，见图13，然而汽轮机管口法兰各方向水平度仍不能达到厂家要求的管口法兰同心度。为此，与汽轮机厂家及施工单位协商，将图12中的A、B、C、D等4处可变弹簧架和E、F等2处恒力弹簧架恢复出厂设置并加上定位销，将管道复位并割断进汽轮机口垂直管段，清除附加在汽轮机上的外力，重新将汽轮机组找正找平，最后进行封闭管段的焊接，严格进行管段的无应力安装，达到要求后方可拆除弹簧定位销。

图12　汽轮机进口附近弹簧分布

图13　汽轮机进口附近E和F处恒力弹簧过载损坏

4　结语

高压蒸汽管道现场问题频发，处理这些问题所耗费的时间成本和施工成本都非常高，随着项目规模的扩大，这种情况越发明显。为避免施工和正常运行过程中出现大量上述问题，减少后期整改工作量，特提出如下建议。

（1）重视高压蒸汽管道的设计质量，完善设计规定，总结相关项目经验并重视培训，健全标准，成立专业组。

（2）严格控制施工质量，对于现场出现的任何问题，应予以高度重视，及时与设计人员沟通并安排专业人员解决。

（3）项目完工时，应进行相关设计交底，以便引起业主和施工单位的足够重视。

只有这样才能有助于高压蒸汽管线设计质量的提高，消除潜在的安全隐患，进而提高工程质量和经济效益。

［1］宋苛苛.工业管道应力分析与工程应用［M］.中国石化出版社，2010.

［2］郑茂鼎.管道支架的设计及计算-TC42B2-94［M］.化工部工程建设标准编辑中心，1994.

［3］徐建东.压缩机无应力配管施工技术［J］.安装，2007，26（8）：47-49.

［4］GB/T 20801.4—2006，压力管道规范—工业管道（第4部分）：制作与安装［S］.

Discussion on Some Problem s in Design and Construction of High Pressure Steam Pipeline

JIANG Jin-cheng，LIYu-guo
（East China Engineering Science&Technology Co.，Ltd.，Hefei Anhui 230024 China）

Based on the design and the actual site situation of several coal chemical projects，this paper discusses the problems occurring in the stress analysis design of high pressure steam pipeline and the actual operation process.Mainly from three aspects of design，construction and installation，the paper also indicates some noteworthy issues about the design layout of high pressure stream pipeline and the pipe hanger selection.

high pressure steam pipeline；pipe hanger；stress analysis

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.008

TQ055.81

B

1004-8901（2016）04-0025-05

2016-03-29

姜锦程（1985年-），男，安徽池州人，2009年毕业于北京科技大学材料加工专业，硕士研究生，工程师，现主要从事工程设计工作。