趙仁義

中國石化集團洛陽石油化工工程公司 河南洛陽 471003

中壓過熱蒸汽管道的設計與施工探討

趙仁義

中國石化集團洛陽石油化工工程公司 河南洛陽 471003

結(jié)合中壓過熱蒸汽管道的設計與施工情況，重點探討了此類管道在設計、施工中的基本技術(shù)問題，并闡述了設計與施工的重要關(guān)系。

過熱蒸汽 低合金鋼 管道 管支架 焊接 焊后熱處理

中壓過熱蒸汽管道是石油化工裝置中最重要的壓力管道之一，其設計與施工既是重點又是難點，設計是否合理、施工是否規(guī)范將直接關(guān)系到整個裝置運行的可靠性、經(jīng)濟性與安全性。下面結(jié)合某180萬t/a催化裂化裝置，對中壓過熱蒸汽管道的設計與施工問題進行探討。

1 工程概況

循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器、外取熱器與中壓汽水分離器共同組成一個中壓產(chǎn)汽系統(tǒng)，由其產(chǎn)出255℃、4.22MPa的中壓飽和蒸汽全部進入兩臺并聯(lián)的余熱鍋爐，經(jīng)兩臺余熱鍋爐過熱器合并后，進入蒸汽過熱爐過熱至440℃、3.82MPa，就產(chǎn)出了中壓過熱蒸汽190～240t/h,由此來供給氣壓機組背壓透平48～60t/h、主風機組汽輪機146～170t/h，不足部分由裝置外系統(tǒng)供給3.9t/h中壓過熱蒸汽。

2 中壓過熱蒸汽管道的設計

為保證本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)操作方便、經(jīng)濟合理及安全生產(chǎn)，就必須做好中壓過熱蒸汽管道的設計工作。

2.1 管道材質(zhì)及壁厚的確定

管道材質(zhì)應根據(jù)管道級別、設計溫度、設計壓力和介質(zhì)特性要求等設計條件，以及材料的加工工藝性能、焊接性能和經(jīng)濟合理性等條件進行選用。該中壓過熱蒸汽管道的設計溫度為460℃，設計壓力為4.20MPa；根據(jù)《石油化工管道設計器材選用通則》（SH3059-2001）中常用鋼材使用溫度的規(guī)定，再結(jié)合鋼材市場供應及過熱蒸汽介質(zhì)性質(zhì)等情況，該管道材質(zhì)應選用低合金鋼15CrMoG。

《工業(yè)金屬管道設計規(guī)范》（GB50316-2000、2008版）給出了管道壁厚的計算公式。對壓力管道來說，大多數(shù)都屬于薄壁管子，故當S＜D/6時，受內(nèi)壓直管理論壁厚可按下式計算：

式中：S：管子的設計壁厚，mm；

P：設計壓力，MPa；

D：管子外徑，mm；

σt：設計溫度下材料的許用應力，MPa；Φ：焊縫系數(shù)，對無縫鋼管，Φ=1；

C1：腐蝕余量，對鉻鉬鋼C1取3.0mm；

C2：管子壁厚負偏差，mm；

Y：溫度對管道壁厚計算的修正系數(shù)，當溫度不高于482℃時，取 0.4。

在設計溫度460℃條件下，15CrMoG管材的許用應力約為96MPa，根據(jù)工藝流程的要求，主管直徑應取DN450，其外徑為457mm，壁厚負偏差12.5%，經(jīng)計算管道壁厚為14mm。

2.2 管道布置

本管道布置設計，應根據(jù)工藝及儀表流程圖的要求，以及蒸汽過熱爐、主風機組和氣壓機組等主要設備的平面布置情況，進行統(tǒng)籌規(guī)劃。

根據(jù)設計經(jīng)驗，可以利用固定或止推支架將復雜的管系分隔成若干個較簡單的管系，結(jié)合管道走向和分支來設置Π型補償器，通過管道自然補償來吸收因高溫產(chǎn)生的膨脹量；對于敷設在管廊上的管道，受管支架托板長度（一般250～400mm）和支撐橫梁寬度（一般150～350mm）的限制，其管支架的最大位移量不宜超過200mm，所以每個Π型補償器一側(cè)膨脹量不宜超過200mm，即兩側(cè)膨脹量之和不宜超過400mm，這樣管道在熱膨脹時，管支架就不會脫離橫梁。

該管系的平面距離如圖1所示，低合金鉻鉬鋼管道在操作溫度440℃時單位線膨脹系數(shù)約為6mm/m，則每段管系的膨脹量約為：

顯然，管廊上的A0A1和C0C1段膨脹量均超過了400mm，應分別設置兩個Π型補償器，則A0A1和C0C1段上每個補償器將分別吸收225mm和270mm左右膨脹量；機組處B0B1和D0D1段可以利用閥組處管道走向進行自然補償。

先利用Π型補償器圖表[1]（見圖2、3），初步確定補償器臂長L2、臂寬L3，比如△X=225mm,由圖3可知，若L3取6m，則L2取8m；再將該管道補償器的初步方案輸入CAESARⅡ應力分析軟件中，進一步優(yōu)化方案。關(guān)于計算機運算過程就不闡述了，在此，僅截取A0A1和B0B1管段布置圖為例（見圖4）。

2.3 管支架設置

管支架的設置，應根據(jù)管徑大小、管道走向、閥門和管件的位置，以及可生根的部位等因素確定，同時還必須滿足管道允許跨度的要求，以確保管道的安全運行。在管廊上，本管道系統(tǒng)支撐主要是滑動型、導向型、止推型以及組合型管支架；在地面上，支撐管道的主要是滑動和固定管支架，如閥組處；在機組框架上，主要利用混凝土立柱上的預埋鋼板，設置支架和吊架，根據(jù)應力分析情況，此處設置彈簧管支架較多。

3 中壓過熱蒸汽管道的施工

中壓過熱蒸汽管道的施工是一個重要而又復雜的過程，涉及到檢驗、標識移植、管道安裝及管支架安裝等方面，而焊接是管道及其支架安裝中的關(guān)鍵一環(huán)，直接影響到管道的施工質(zhì)量，該低合金鋼管材可焊性較差，要求條件比較苛刻，所以對管材、焊材、焊接工藝等關(guān)鍵點應嚴格控制。

3.1 管道檢驗及標識移植

低合金鋼管道在使用之前，應先檢查管材的質(zhì)量證明文件及實物標識是否符合產(chǎn)品標準和訂貨技術(shù)條件的要求；接著核對管道的材質(zhì)、牌號及規(guī)格，進行外觀質(zhì)量檢查；然后要對該批管材進行復驗，做光譜分析；這些情況均達到要求后，再及時進行標識移植，刷上不同顏色的色標，以便于區(qū)別其它材質(zhì)的管道。

3.2 管道安裝

3.2.1 管道焊接工藝

該管道焊接工藝采用氬弧焊打底+電弧焊填充蓋面，此過程會形成超低氫環(huán)境，容易做到單面焊雙面成形。

（1）坡口型式為V型，鈍邊1～2mm，夾角約為60°；

（2）手工鎢極氬弧焊打底，直流正接，焊接電流80～100A，電壓10～14V，焊絲H13CrMoA，Φ2.5mm；

（3）手工電弧焊填充蓋面，直流反接，焊接電流100～120A，電壓22～24V，焊條R307低氫型，Φ3.2mm。

為防止冷裂紋及再熱裂紋，坡口兩側(cè)預熱150～200℃，焊接層間溫度高于預熱溫度，表層蓋面完成后立即進行650～700℃焊后熱處理，消除內(nèi)應力，防止延遲裂紋。

3.2.2 管道下料、組對及焊接

按照管段布置圖和焊接工藝的要求，將自動坡口機定好角度，對管道切割下料，然后打磨坡口，坡口內(nèi)、外表面20mm范圍內(nèi)必須清理干凈，不得有油漆、毛刺、銹斑、氧化皮及其它對焊接過程有害的物質(zhì)，同時組對間隙也必須符合焊接工藝要求，一般為2～3mm，錯邊量不大于0.5mm，在坡口定位后，而且滿足焊接環(huán)境條件下，可以根據(jù)焊接程序曲線（見圖5）進行施焊。

A→C：升溫預熱階段，其中BC段進行手工鎢極氬弧焊打底；

C→E：層間保溫階段，其中DE段進行手工電弧焊填充蓋面；

E→F：清渣打磨階段，重新鋪設電加熱帶、熱電偶及附屬設施；

F→I：焊后熱處理階段，以200℃/h升溫速度至680℃左右，然后恒溫2h，接著以200℃/h降溫速度保溫緩冷至250℃，最后在空氣中自然冷卻。

3.2.3 管道焊縫檢測

管道焊縫在經(jīng)過24h且外觀檢查合格后，進行100%RT射線檢測，同時進行20%焊道硬度測定，每處測定三點：焊縫、熱影響區(qū)和母材。通過對焊縫的檢驗、測定，沒有出現(xiàn)延遲裂紋和硬度超標的情況，均達到了合格的要求。

3.3 管支架安裝

管支架安裝是管道施工中的一個重點，管支架施工不當，往往會造成管支架脫空、滑落，管道系統(tǒng)產(chǎn)生振動、噪聲、甚至共振，嚴重者會造成相鄰管道被推開，設備管嘴、法蘭被撕裂等后果，因此，對本管道系統(tǒng)的管支架制作、焊接及安裝過程應特別注意以下幾點：

（1）應按設計圖紙要求制作管支架高度，避免因高度過小，管道移動時保溫材料造成破壞；避免因高度不均，部分管支架脫空；

（2）應按設計圖紙要求制作管支架托板長度，如圖4中的導向支架 A2、A3、A4、B1，止推支架 A5，以及組合架 A1都是加長型管支架；

（3）應確保導向支架、止推支架的位置及型式安裝正確，不得憑感覺隨意更改管支架的類型；

（4）所有管支架都必須帶有墊板，其材質(zhì)與中壓過熱蒸汽管道相同，并且要求墊板與管道滿焊，且墊板上預留透氣孔，不得有漏焊、欠焊或裂紋等缺陷，待焊接完成后，同此處管道一塊做焊后熱處理，確保焊縫應力消除。

考慮到低合金鋼管道的管支架現(xiàn)場施工的復雜性，可以設計為卡箍型隔熱式管支架，采用工廠化預制，將成品運到施工現(xiàn)場，就可以免去現(xiàn)場焊接及焊后熱處理等工序，節(jié)省施工時間，但要求管支架圖紙尺寸標注更加準確，同時可能會增加投資成本。

4 結(jié)論

在設計方面，中壓過熱蒸汽管道材質(zhì)要求高，管道布置復雜，管支架設置類型多；在施工方面，該管道焊接程序復雜、工藝嚴格，且現(xiàn)場焊接的管支架須帶墊板，并要求對其做焊后熱處理等。

可見，管道的設計決定著管道的施工，管道的施工體現(xiàn)著管道的設計理念，實現(xiàn)了由工程圖紙到工程實體的轉(zhuǎn)化；只有設計進一步優(yōu)化，施工進一步規(guī)范，裝置才能做到經(jīng)濟合理、安全運行。

1張德江，王懷義，劉紹葉.石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊/第一篇,設計與計算（第三版）.北京：中國石化出版社，2004.

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