高温中压钢套钢蒸汽管道应用与设计

黄旭东

(中机国际工程设计研究院有限责任公司华东分院,南京 210023)

为了响应国家节能环保政策,贯彻落实“集约发展、绿色发展”理念,化工园区企业将逐步关停燃煤锅炉,由高效节能大型热电厂实现区域集中供热。园区企业整体用热参数较高,需建设满足用户需求的高温中压长输热网。蒸汽管道长输技术经过多年的发展已经日趋成熟,其中高温中压蒸汽管道长输在技术上要求更高,钢套钢蒸汽管道在地埋、地下空间穿越及特殊地段使用上应注重安全,采取更为可靠方式。本文以设计参数510 ℃、5.83 MPa(g)的DN500蒸汽管道为例,结合实际应用,探讨高温中压钢套钢蒸汽管道设计思路。

钢套钢蒸汽管道具有较好的耐外压、防潮防水性能,具有常规架空保温结构无法比拟的优势,可用于蒸汽管道保护及特殊条件下降低对外界影响,主要敷设方式有直接地埋、管沟架空、涵洞架空、地面架空等几种方式。1)直接地埋：最为常见,适用于具备埋设深度,周边对温度不敏感的一般地段;2)管沟架空：适用于埋深不满足规范要求需对管道进行保护或需要控制管道对周围热影响区域,无人员通行要求;3)涵洞架空：适用于穿越高等级公路等重要地段,一般由相关产权部门提出要求;4)地面架空：适用于地下存在障碍,无法直接地埋敷设或设置支墩基础地段,将钢套钢蒸汽管道布置于地面平板基础上,由其承受管道重力及支座反力。

1 工艺计算

1.1 工作管及附件材料选用

考虑到管道工艺参数的特性,钢套钢蒸汽管道工作管的管材、管件按照电力行业标准选取。依据《火力发电厂汽水管道设计规范》(DL/T 5054—2016),选用管道、管件材质为12Cr1MoVG,钢管制造标准为《高压锅炉用无缝钢管》(GB/T 5310—2017),管件执行标准为《电站钢制对焊管件》(DL/T 695—2014)。

1.2 工作管壁厚确定

工作管设计压力和设计温度下所需的直管理论最小壁厚按管子外径确定公式计算[1]33,同时考虑到满足管网长期(按30年)安全稳定运行要求下腐蚀、磨损和机械强度要求的附加厚度等因素,计算后管道选取规格D530×22。弯管加工完成后的最小壁厚按外径确定公式计算[1]38,计算后弯管选取规格为D530×25,选用R=1.5DN～3DN热压无缝弯头。

1.3 外套管选用及壁厚确定

考虑到使用性能及生产加工方便,钢套钢蒸汽管道外套管优先选用《石油天然气工业管线输送用钢管》(GB/T 9711—2017)标准中的双面埋弧螺旋焊接钢管,材质L245。由于是带空气层的保温结构,外套管的外径与壁厚比值不大于100[2]21。

2 保温设计

2.1 钢套管外表面控制温度

根据敷设方式不同,考虑到钢套钢外防腐层使用寿命、减小对周边环境的热影响及防烫伤等要求,以上几种敷设方式套管外壁温度控制要求如下：直接地埋控制套管外表面温度不超过50 ℃[2]13。管沟架空及涵洞架空根据情况可适当放宽,将套管外表面温度控制在60 ℃以下。地面架空需考虑防烫伤,控制套管外表面温度在60 ℃以下[3]18。

2.2 主保温材料参数

蒸汽管道保温结构示意如图1,主保温材料由若干层二氧化硅气凝胶毯及高温玻璃棉复合而成,保温层外侧与工作管之间留有一定的空气层,该保温结构可有效降低外套管口径,节省工程造价。

图1 蒸汽管道保温结构示意图

保温结构内层使用二氧化硅气凝胶毯(以下简称“气凝胶”),最高使用温度650 ℃,燃烧性能为不燃A级,其热导率拟合式如式(1)。

λa=2.114×10-7tm2-3.227×10-5tm+2.155×10-2

(1)

式中：λa为气凝胶热导率,W/(m·K) ;tm为保温材料平均使用温度,℃。

保温结构外层使用高温玻璃棉(以下简称“玻璃棉”),安全使用温度450 ℃以下,燃烧性能为不燃A级,其热导率拟合式如式(2)。

λg=7.652 29×10-10tm3+1.102 2×10-4tm+2.907 1×10-2

(2)

式中：λg为玻璃棉热导率,W/(m·K)。

2.3 保温厚度计算

按照控制外套管外表面温度方法,分别计算不同敷设方式所需保温层厚度。

(1)直接地埋

管道敷土深度按1.5 m计算,项目建设地点位于南京附近,土壤自然温度取24.2 ℃[2]附录A,大气温度取最热月平均环境温度28.1 ℃[3]附录C,土壤的导热系数λ取1.5 W/(m·K)[2]13-14,管道上方地表大气换热系数α取12 W/(m2·K)[2]16,钢套钢管道内干空气层导热系数按0～250 ℃温度区间,查干空气物性参数表后输入软件。工作管保温材料结构层越薄,其外套管表面温度越高,反之外套管表面温度越低。气凝胶、玻璃棉及空气层组合而成的保温方案满足钢套管外表面温度不超过50 ℃、气凝胶外层温度不超过玻璃棉安全使用温度0.8倍[2]13即360 ℃为可行性方案。满足温度条件且单位长度造价最低方案为最优方案,可行性方案经初步判断可确定较优方案,对较优方案进行经济比选可确定最优方案。经AFT Arrow软件模拟计算,该敷设条件下不同保温层厚度较优方案比选如表1。

表1 直接地埋敷设不同保温层厚度较优方案比选

从保温层厚度上可以看出方案1经济性优于方案2,通过对外套管、外套管防腐、保温材料用量进行经济性比较,方案3比方案1单位长度造价增加约5.7%,最终确定方案1为最优方案。

(2)管沟架空

风速ω为0,环境温度Ta取40 ℃[3]26,绝热层外表面温度取59 ℃,计算出外表面换热系数as为2.1 W/(m2·K)[3]27,换热形式主要为辐射换热。

(3)涵洞架空

风速ω为0,最热月平均环境温度Ta取28.1 ℃[3]附录C,绝热层外表面温度取59 ℃,计算出外表面换热系数as为1.9 W/(m2·K)[3]27,换热形式主要为辐射换热。

(4)地面架空

室外风速ω取2.6 m/s,最热月平均环境温度Ta取28.1 ℃[3]附录C,防烫伤计算外表面换热系数as取8.141 W/(m2·K)[3]27,换热形式为对流换热及辐射换热。

(5)不同敷设方式保温效果比较

通过软件模拟计算管沟架空、涵洞架空、地面架空保温层厚度较优方案,并经经济比选确定保温层厚度最优方案。四种不同类型敷设方式保温层厚度最优方案汇总见表2。

对照计算结果,环境温度及表面换热系数对计算结果影响较大,相同条件下,通过调整不同保温材料厚度,在气凝胶外层温度接近于玻璃棉许用温度0.8倍处可以获得较为经济的保温结构配比。

3 热补偿

钢套钢蒸汽管道工作管常用热补偿方式有套管内安装轴向波纹管补偿器补偿、利用管道柔性自然补偿、连接旋转补偿器补偿等。

波纹管补偿器利用波纹管的伸缩变形实现热补偿,其核心是由多层不锈钢薄板制作而成波纹管,该部件对温度压力很敏感,易在水击效应下变形,具有爆裂风险,在高温中压蒸汽管道上使用对产品技术要求极高。考虑到安全性,该参数等级管道不建议采用波纹补偿器补偿。

自然补偿方式为通过弯头或弯管构造平面或空间π弯,利用管道自身的柔性进行热补偿,该补偿方式适用范围广、技术成熟、安全可靠。

旋转补偿器补偿为旋臂带动旋筒转动实现管道热位移释放的热补偿方式,该补偿方式在长距离输送热网上应用较为广泛。之前该技术在高温中压管道上的应用上不够成熟,主要存在密封使用柔性石墨氧化烧蚀较快问题。近年来,随着产品技术不断发展,旋转补偿器在该参数条件下可长时间稳定工作,具有较高的安全性。

高温中压钢套钢蒸汽管道工作管热补偿方式推荐采用自然补偿和旋转补偿器补偿,具体布置应结合前后连接管道而定。

直接地埋敷设外套管由土壤进行承重及锚固,由于工作时外套管温度不超过50 ℃,安装条件下温差产生的轴向热应力远低于材料的许用应力,采用冷安装直埋敷设无需设置补偿器。

管沟、涵洞及地面架空敷设外套管热补偿一般不需要设置补偿器,可将外套管中间位置设置成固定支架,两侧加设一定的滑动支架及导向支架,实现两端自由膨胀。

4 管道跨距

(1)工作管跨距

工作管架设于钢制外套管内,其允许跨距按强度和刚度两个条件进行计算,取其中较小值作为推荐最大跨距。设计参照支吊架间距计算公式[1]103-104,最大允许跨距计算中考虑了复合保温材料荷重,超载系数按1.2,工作管直管段最大允许跨距计算结果见表3。

表3 工作管直管段最大允许跨距表 m

考虑到减小单个支架的受力,钢套钢管道内部支架布置时建议适当缩短该跨距,可按8 m控制。

(2)外套管跨距

架空敷设钢套钢蒸汽管道需对外套管跨距进行计算,外套管跨距需考虑工作管、复合保温材料、工作管支架及自身荷重,运行温度取60 ℃,超载系数按1.2。考虑控制管道挠度,设计参照支吊架间距计算公式[1]103-104,钢套钢外套管直管段最大允许跨距计算结果见表4。

表4 钢套钢外套管直管段最大允许跨距表 m

根据计算,管沟架空外套管可按17 m控制跨距,涵洞架空及地面架空可按13 m控制跨距。直接地埋敷设外套管由土壤进行承重及锚固,且热应力水平较低,无需考虑管道跨距及设置管道支架。

5 管道支架

(1)工作管支架

高温条件下,钢套钢蒸汽管道工作管推荐采用带滚动轴承的导向支架及带硬质隔热块的轴向限位支架。滚动轴承导向支架摩擦系数小、稳定性好,更有利于工作管在外套管内滑动。由于热传导效应,低温管道使用的锥形桶焊接式固定支架用于高温蒸汽管道会造成外套管温度过高,导致防腐层失效。高温钢套钢蒸汽管道支架工作管与外套管之间可采用轴向限位支架替代固定支架。带滚动轴承的导向支架结构形式见图2,带硬质隔热块的轴向限位支架结构形式见图3。

图2 导向支架结构示意图

图3 轴向限位支架结构示意图

(2)架空敷设外套管支架

架空管道支架由Q235B钢板拼焊而成,D为1 016 mm及1 219 mm时,θ取120°,弧形钢板弧长取θ+12°,底板长度A取700 mm、宽度C取200～300 mm。管道支架底部置于土建预埋钢板上,上部弧形钢板与管道焊接连接,根据约束条件不同,可设置成导向支架、滑动支架或固定支架,其构造示意如图4。

图4 架空敷设外套管支架构造示意图

6 结语

(1)钢套钢蒸汽工作管管材、管件、跨距设计计算建议按电力行业规范。

(2)根据不同应用场景进行保温结构设计,对于气凝胶、玻璃棉及空气层复合而成的三层保温结构形式,在气凝胶外侧温度接近于玻璃棉安全使用温度的0.8倍处(合理使用上限温度),可获得较为经济的保温结构配比。

(3)工作管架设于钢制外套管内,其热补偿方式可结合前后连接管道采用自然补偿及旋转补偿器补偿。

(4)钢套钢工作管支架推荐采用带滚动轴承的导向支架及带硬质隔热块的轴向限位支架,具有较好的滑动性能及隔热性能。