蒸汽管线吹扫应力计算分析

高 昊

(北京石油化工工程有限公司西安分公司,陕西 西安 710075)

管道吹扫主要是清除管道杂物、铁锈、焊渣等[1]，其次也可以观察在吹扫工况下，管道带温时管道及支吊架的工作、位移情况。蒸汽管道(尤其是高、中压蒸汽管道)吹扫时，管线较长，吹扫采用的蒸汽温度较高，管道吹扫时间较长，因为吹扫管线为临时管线，吹扫方案由于种种原因，现场配管时间较为紧凑，吹扫管线的应力计算分析往往被忽略，配管柔性不够，管架设置不合理，造成管道及管架破坏、临时消音器跑偏，甚至是管道相连的汽轮机、锅炉等一些关键设备管口载荷超标等问题，所以,蒸汽管道吹扫管道柔性分析计算和相应支架设置十分必要，本文重点阐述了蒸汽吹扫管线的应力分析计算工作。

1 蒸汽管道吹扫应力计算分析

1.1 吹扫前应力计算准备工作

设计专业进行自查，管道应力设计人员首先核查应力计算报告，保证其支架位置、型式与现场施工用管道专业管道轴测图图纸一致。

施工现场检查中，蒸汽吹扫前按照管道轴测图核查管道支架施工是否与设计文件相同，如施工有误,则需施工单位及时整改后再进行吹扫。

配合施工单位，依据应力计算结果，统计轴向或径向位移量较大，尤其是轴向一般为超过50mm的支架点，管架编号，做成支架位移信息表。由表中可以查出支架的位置、型式、位移趋势及位移量，并要求施工单位将位移量较大的点用油漆画线标示，这样在蒸汽管线运行时可以方便观察管线、支架运行趋势。测量位移量，若运行趋势及位移量与应力计算结果基本一致，则可验证计算及施工的正确性，继续进行吹扫工作；若不一致,出现不可控情况，则需及时检查管线与管架施工是否正确、吹扫操作是否合理，可考虑暂时停止吹扫，检查管架，尤其是限制性支架(轴向限位架、径向导向架)是否失效，及时整改,待管架修复后才可继续吹扫，以防事故发生。某项目吹扫前制定的管架信息见表1。

表1 高压蒸汽管线管架信息表

1.2 吹扫工况应力计算

当吹扫管线连接设备时，必须先进行应力计算，校核设备管口受力，以防设备管口载荷超标，且吹扫管线配管的基本原则为尽量不改变原有管线的柔性，减少对原有管道的影响，保证其不产生塑性变形。其次,不破坏管道支架，尤其是弹簧支吊架，使其可以安全使用。一般吹扫方案的确定主要需要考虑管道柔性及支架设置问题。

以榆林煤化高压蒸汽管线吹扫为例,来分析吹扫管线配管及支架设置问题。该项目高压蒸汽管道吹扫时连接锅炉过热器的这台设备，吹扫蒸汽参数如下：操作压力为4.5MPa，温度为450℃，临时吹扫管道材质为碳钢，管径为325mm，壁厚为28mm，临时电动阀质量为1.2t。在CAESARⅡ中搭建好的高压蒸汽临时管道吹扫模型见图1。

图1 高压蒸汽临时吹扫管道应力计算模型

图中数字为模型中管架节点号，现场高压蒸汽管道顶端为锅炉过热器管口，临时吹扫管道分界为弯头焊缝处。如图所示，根据厂房空间布置吹扫管线，受限于空间及管位，吹扫管线走向比较单一，由厂房二层平台降落至厂房外空旷处吹扫放空，虽然管道在二层平台最近处接出，但由上至下立管高度为8m，立管段长度可以补偿水平管较大的热膨胀，使水平段管段的柔性变好。由此可以看出，当管道柔性较差的时候，现场配管在有条件的情况下，需要及时调整管道走向,从而增加管道柔性。

吹扫管道支架设置的一般工程做法是，在原有管线与临时吹扫管线分界处最近的第一个支架点，图中模型中节点号5010，支架型式设置为固定架，这样可以与原有管线完全切分，防止临时吹扫管线对原有管线造成的影响，但是该位置设置固定架后，经计算得出，在现有厂房空间下配管，固定架FX方向(管道轴向)推力为52 835N，该支架位置又在楼面处，附近无梁柱等较为夯实的基础，现场施工受力要求较大的固定架,难度很大，费时费力，很难实现；且楼面上空间有限，无法通过改变走向来增加管道柔性，进而减小固定架受力。所以经考虑后，将此处原定的固定架改为滑动支撑架，由计算结果可以看出，滑动架承受管道轴向推力不到1t，滑动支架未限制角位移，三个方向都没有产生力矩，这样的临时滑动支撑施工方便简单，满足工程需求。需要注意的是,该位置设置滑动支架，没有限制管道热膨胀位移，该点热位移为97mm，推动上方原有管道，现场最近支架点(一个弹簧吊架)，轴向产生101mm热位移，选用弹簧经测量,可知吊杆长度大于水平位移的15倍，即吊杆偏斜角度在4°以内[2]，满足规范要求，其他较近的支架点热位移都在允许范围内，所以吹扫管线在该走向下，采用滑动支撑架切分原有管线与临时吹扫管线是比较合适的。

吹扫工况下，原有管线与临时吹扫分界处，模型中节点号为5100点，分别设置的固定架与滑动支架受力值见表2，其中负号表示方向。

临时吹扫管线上选用电动阀质量为1.2t，其就近位置必须设置承重支架，又因为该水平管道较长，所以在承重架基础上增加导向架，防止管道吹扫时径向摆动失稳。然后设置的导向架也限制了垂直于该管段水平管道的热位移，把吹扫管线对原有管线的影响降到最小。导向间隙无特殊要求的,一般按标准管架图设置为2mm。

吹扫管线立管由厂房楼上至地面,没有支架生根点，所以支撑该段立管的支架设置在立管上方水平管上，计算管道跨距后，管道一次应力[3]校核百分比最大点为47%，一般以小于50%为宜，在保证支架不脱空,即满载的位置处设置滑动支撑架，增设导向架也能预防管道产生振动。立管下方水平管段上支架位置的选择必须考虑立管向下的热膨胀位移，在满足管道跨距的前提下，避免管道下方支架距离立管太近，阻碍管道向下膨胀，而产生“憋力”情况。有些情况在无法采用软件计算时，可大致估算管道膨胀量，当管道一端固定时，管道自由端膨胀量[4]:

ΔL=αLΔT

其中,α为管道材料从安装温度变化到操作温度的平均线膨胀系数，mm/(mm·℃);L为管道长度，mm；ΔT为管道从安装状态(一般取为20℃)到操作状态的温度变化值，℃。

除特殊设置的固定架外，其余承重及导向架受力计算值见表3，各支架点受力值都调整在可控范围内，现场施工无需特殊加固处理，很容易实现。

吹扫管线末端连接临时消音器，消音器本体支架一般为螺栓把死的固定架，固定架承受管道重力、热涨力；消音器重力及反推力，对管道防振也有一定的作用。本模型设置固定架时，计算得出固定架受力，最初的设计计算中，管道末端只有消音器位置设置有一个固定架，计算得出,该固定架MY(扭矩)为-101 014N·m，力矩很大，实现固定架施工很困难。由计算结果分析，产生较大力矩的主要原因是相连的垂直于该管段的水平管道热膨胀位移量为23mm，末端管段设置为固定架时，管道无法自由膨胀，末端管道长度为8m，管道长度不足以吸收垂直管道的热位移，所以初始方案为加长末端管道或设置“π”型弯增加柔性,以降低固定架力矩。但经现场施工人员反馈,该类型管道切割焊接有困难，另外设置“π”型弯后,管道还需增加多个支架，尤其在增设固定架时，施工更加费时繁琐。所以,为了减小管道轴向位移，在不能改变管道走向的情况下，在末端管道设置一个导向架来限制垂直管道热位移，减小垂直段管道热膨胀推向固定架，从而降低固定架的受力值。导向架位置确定时，需考虑以下情况：若导向架距离弯头太近,则导向架受力太大，施工难以实现；若太远,则不能限制热位移。经计算调整，在保证导向架受力强度足够的情况下，在距离弯头4.5m位置设置该导向架，导向间距为2mm。导向架设置前后消音器固定架(模型中为5120点)受力值见表4，从中可以看出，消音器固定架在增加导向架后的受力及力矩值明显减小，导向架受力为-43 037N，现场施工选用较大的槽钢(如C16)作为管道径向挡板时,即可满足要求。

本项目消音器本体支架为固定架，当吹扫管线较短、柔性较差时，在无法通过改变管道走向增加柔性的情况下，消音器本体支架可以根据管道热膨胀方向设置为几个方向的限位组合架，释放热位移，以减小该支架的受力，但需要在消音器支架点画线,以随时观察位移状态，管架尽量采用大型H型钢保证消音器稳定，不产生振动，防止消音器发生被“吹跑”的重大事故。消音器本体限位架见图2。

图2 消音器本体限位架

最后,现场支架的位置及型式根据应力计算结果施工设置，支架尽量依靠厂房或者管廊有较大梁柱生根，若支架无这类生根条件时，可以设置斜撑增加支架强度，保证管道及支架在吹扫时的可靠和安全。临时吹扫管线支架见图3。

图3 临时吹扫管线支架

依照应力计算结果，施工人员按图施工，吹扫10余天，依据画线观察，原有管道、支吊架、锅炉过热器设备、临时吹扫管道及支架、消音器及固定架位移及载荷变化趋势均在计算范围内，未产生异常现象，高压蒸汽吹扫工作较为顺利。

其余管线吹扫(尤其是高温蒸汽管线)与本次高压蒸汽基本原则一致，应力计算需要考虑的问题、吹扫的重点及难点分为以下几点：①吹扫管线是否连接设备管口吹扫工况；②原有管线与临时吹扫管线分界处是否设置固定架；③消音器末端是否设置固定架；④吹扫管线限制性支架的设置。

2 吹扫工况注意事项

2.1 吹扫暖管

一般蒸汽管线敷设较远，所以暖管时间也较长，吹扫前，必须按规范规定的时间缓慢暖管，温度稳定后，检查疏水是否通畅，及时排出凝结水，缓慢开启、关闭阀门，防止水锤。某项目由于追求进度，暖管过快，输水不畅，蒸汽管道产生水击，导致该中压蒸汽管道π型弯一侧的限位架被推坏而致失效，输水管线被掰弯，管道位移过大，管道末端支架位移超出正常计算值，管托被“推下”结构梁(见图4)。

图4 某中压蒸汽管线暖管出现问题

2.2 弹簧定位装置拔除

吹扫时，必须保证所有弹簧支吊架定位销已拔除，防止弹簧在吹扫工况下失效，以致管道、管道相连设备及其他支吊架的破坏。

3 结语

蒸汽管线吹扫,尤其是高、中压蒸汽管道，吹扫温度高，危险性较大，吹扫前必须进行应力计算。本文以某项目高压蒸汽一段管线吹扫为例,进行了详细的应力计算分析，包括管线吹扫前的准备工作，结合现场环境及施工状况进行配管，改善吹扫管线柔性，合理设置临时支架，最后指出吹扫过程中需要注意的安全事项，用理论计算指导现场施工操作，保证了蒸汽管道吹扫工作安全完成，对今后的蒸汽管线吹扫方案的制定有一定的指导意义。