死端管道冷凝点的计算

2020-06-30杨群峰李以善许洋

石油和化工设备 2020年6期

杨群峰，李以善，许洋

（1.山东省特种设备检验研究院济宁分院，山东济宁 272025）

（2.山东省特种设备检验研究院有限公司，山东济南 250100）

在输送过热蒸汽的管道设计中，经常会出现带有死端的管道或者形成具有死端特性的管道。在这些管道中，由于死端的存在，可能导致蒸汽在远端产生冷凝水，冷凝水的出现，可在管道使用中产生裂纹、泄漏甚至爆炸。因此通过对冷凝点的计算，运用设置疏水器、改变阀门位置、缩短带有死端的管道长度，来避免管道内出现冷凝水。

1 死端的形成

1.1 阀门关闭形成死端

当阀门前管道过长时，阀门关闭时，会形成死端。例如：在对空排汽管道中，对空排汽阀门关闭时；采用双阀门设计，近端阀门开启或内漏，远端阀门关闭时。

1.2 预留接口形成死端

有时需要预留管道接口，以便和下一期或其它工程的管道进行连接。通常会在三通后留出一段管道，采用阀门或盲板进行密闭，以便需要时，进行接管，也会形成死端。

2 冷凝点的计算

一旦设计中有带死端的管道，当管道较长，距离母管足够远时，由于死端管道散热的原因，连通（或泄漏）的蒸汽会因冷却形成冷凝水。现以使用参数为9.0MPa、530℃，材料为12Cr1MoV的死端管道为例，说明冷凝点的计算方法。为便于计算，对管道结构简化如图1。

母管（以下称热端）的过热蒸汽通过三通与死端管道连通，假定图1中热端温度Tm=530℃，通过计算，确认对应点温度降至T=304℃时（9.0MPa对应的饱和温度为304℃）管道的长度x的数值，也就是冷凝点的位置。当超过长度x时，死端管道内壁就会因冷却出现冷凝水。

图1 冷凝点计算图

为简化计算，说明如下：(1)在壁温计算时，假定管道内外壁温一致。由于在管道内壁至外部空气径向传热方向上，管道内外壁之间热阻很小，因此内外壁温差非常小，本例中通过传热计算温差为0.03℃。(2)以管道和管道内蒸汽的总导热量等效于同样直径、长度均匀圆棒时的导热量，折算出均匀圆棒的当量导热系数。(3)保温层的导热和保温层外部的散热，折算成管道外壁对外的当量传热系数进行计算。

依据上述条件，利用稳定状态下有限长圆棒散热和单端导热推导出的任意点温度的公式，参考图1，将公式表述如下：

式中：T—距离热端金属外壁x点的温度；Tm—热端温度；Ta—环境温度；λ—管道的当量导热系数；α’—管道死端端面的传热系数；L—管道死端端面至母管金属外壁的距离；x—管道温度为T的点与母管金属外壁的距离；n—系数。

式中：Lz—管道外壁周长；A—管道以外径计算的截面积；α—以管道外壁为基础的当量传热系数。

钢管折算成均匀圆棒时的导热系数λ可以用下式求得：

式中：λg—钢管的平均导热系数；λw—蒸汽的平均导热系数；Do—管道外径；d—管道内径。

根据对流传热公式，在轴向长度dx圆周面上的传热量q·dx=ΔtαLz·dx（式中Δt为传热温压），依据GB 50264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》推导出如下公式：

式中：D1—保温层外径；αb—保温层外壁换热系数；λb—保温材料的导热系数；Δt—管道外壁温度与环境温度之间的传热温压；q—单位长度管道外壁的传热量。

式中：Ts—保温层外壁温度；αbo—无风环境保温层外壁换热系数。

由于保温层外壁温度较低，辐射换热系数可以忽略，死端管道一般在室内，按无风环境计算（对有风环境，GB 50264-2013给出了相应公式），得αb=αbo。计算中先假定一个Ts的值，计算αb，然后依据对流传热公式q=αb(Ts-Ta)D1π计算出Ts值，与假定值比较，基本一致时（本例中Ts计算值与假定值相差5℃时，对α和αLz值的影响小于0.1%，对最终x值的影响小于0.05%），确定αb值有效。然后求取αLz，为简化计算，假定端面和管道同条件，即α’=α。

现对Φ273×20mm、采用220mm硅酸铝板作为保温层的管道进行计算。相关参数见表1。

表1

假定Ts=32℃，按无风环境通过（式5）计算得αb=αb0=4.686W/(m2·℃)。对数传热温压Δt=(Tm-T)/1N[(Tm-Ta)/(T-Ta)]=386℃，将数据代入（式4）算出q=122.44W/m，依据公式：q=αb(Ts-Ta)D1π，得出Ts=31.7℃与假定32℃基本吻合，认为q有效。根据（式2）、（式3），得到n=0.7137m-1，λ=10.65W/(m·℃)。假定端面和管道同条件，根据（式4），得α’=α=q/(ΔtLz) =0.3700W/(m2·℃)。将数据代入（式1），对L取不同数值，得到不同的降温到304℃时的x值，见表2。

表2

当L=∞时，（式1）简化为：

当L=x时（式1）简化为：

设b=2(Tm-Ta)/(T-Ta)，c=α’/nλ，求解，舍掉不合理的根，得：

通过上述计算，可以看出，当死端管道长度超过1.6m时，会造成远端不可避免地出现冷凝水，并且随着管道的加长，冷凝点出现的位置会距离热端越来越近。当死端管道长度超过以L=∞计算出来的值4倍以上时，其计算值基本趋于稳定。因此在实际应用时，可以采用（式7）、（式8）进行简化计算，来作为设计死端管道长度或设置经常疏水的依据。

3 冷凝点计算的应用

通过计算可知，死端管道出现冷凝点的位置，从而在设计中有效地控制死端管道长度，避免出现冷凝水。或者设计经常疏水，避免因冷凝水造成管道事故。

在部分规范中，如DL/T 5054-2016《火力发电厂汽水管道设计规范》中9.2.2明确要求在蒸汽不经常流通的管道死端，而且是管道的低位点时，应设置经常疏水。多数规范中对死端管道在设计上没有明确要求，为了避免水击，常设计有疏水管，但设计经常疏水的较少；在某些场合下，形成了事故隐患。

3.1 案例一

额定参数为13.7MPa、540℃的超高压锅炉在使用三年后，再热器出口集箱对空排气管座、角焊缝及集箱裂纹并出现泄漏。根据制造单位意见维修使用一年后，再次发生裂纹、泄漏，经分析为温差应力导致的疲劳裂纹。排气管材料12Cr1MoV、Φ18×3mm，保温层厚50mm，排气管和管座接管焊接后垂直向上0.5m，然后弯管采用水平走向，距离弯管4m处焊接有对空排气阀。

由于再热器出口集箱管座距离对空排气阀较远，随着与对空排气管座距离的增大，管壁温度因散热会降低，在管内产生冷凝水。当冷凝水积累到一定程度，就会发生回流，使对空排气管座接头区域产生较大的温差应力，冷凝水回流后，水平管段内冷凝水减少，然后会通过冷凝再次增加，再次回流，形成循环，使对空排气管座接头区域出现周期性应力变化。而管座角焊缝本身就是应力集中部位，时间久了，在对空排气管座接头上产生疲劳裂纹，裂纹在使用中不断扩展延伸至集箱，导致泄漏，见图2。

按2.5MPa、530℃的参数、管道足够长计算，距离管座170mm时，会产生冷凝水。因此将对空排气阀门移至靠近对空排气管座处焊接阀门。阀门位置变更后，目前已使用4年有余，未再发生泄漏事故，停炉检修时，表面无损检测未再发现裂纹。

图2 管座及集箱裂纹

3.2 案例二

材料为12Cr1MoV、Φ377×28mm、运行参数为8.6MPa、530℃的主蒸汽母管三通上方焊接有阀门，阀门向上设计有垂直和水平管道，该管道为预留接口管道，水平段接口处用盲板焊接封堵，该死端管道长度约13m。在正常运行2个月后，该管道水平段的弯管爆炸，造成距离弯管5.8m处的操作室砖墙倒塌、人员伤亡，见图3、图4。根据TNT当量法，按等熵过程计算，得出该死端管道内高压饱和水为53kg，体积为0.074m3，如果充满管道截面，占管道长度为0.91m。冷凝水的产生、回流是爆炸的主要原因之一，也是爆炸威力大的主要原因。该冷凝水的产生是因为阀门漏汽和死端管道过长。

图3 事故现场

图4 管道爆破点位置

按管道长度13m进行冷凝点计算，从阀门（热端）向管道死端方向1.04m以上时，管道内壁就会出现冷凝水。如果以管道死端保温、L=x为条件，计算得阀门到死端管道封堵盲板处，长度在2.0m内，管道内壁不会产生冷凝水。因此如果将死端管道总长控制在2.0m以内，或者在冷凝点后水平段的管道上增加经常疏水，就能避免该事故的发生。