唐智亮

(北京石油化工工程有限公司，北京 100107)

0 引言

隨著煤化工項目的規(guī)?；?、集成化和深加工化，大型煤化工廠均實現(xiàn)了從塊煤到聚烯烴塑料生產(chǎn)的全過程，因此煤化工廠各個生產(chǎn)裝置單元更加多元化、復(fù)雜化，裝置占地面積也越來越大[1]。在煤化工生產(chǎn)工藝中，外管廊更加復(fù)雜，通常具有物料管線多、管線密、管廊寬度高和層數(shù)多等特點，有的管廊高度達(dá)到了12 m以上，達(dá)到了5層。蒸汽輸送量和管徑也越來越大。要求設(shè)計人員在全廠外管廊設(shè)計前進(jìn)行一個全局的規(guī)劃，例如：各個壓力等級蒸汽的走向、自然補(bǔ)償器的位置和幾何尺寸等。本文以某大型煤化工項目為例，通過計算和工程設(shè)計實例，分析了蒸汽管線的自然補(bǔ)償器設(shè)計、設(shè)置和固定點等。

1 蒸汽管線路徑和自然補(bǔ)償規(guī)劃

在工程詳細(xì)設(shè)計中，為了配合現(xiàn)場施工進(jìn)度，需要合理安排各個專業(yè)的出圖順序。管廊土建和鋼結(jié)構(gòu)作為較早開始施工的部分，需要盡早開始設(shè)計。

蒸汽管線作為管廊溫度最高的管線，需要設(shè)置大量的自然補(bǔ)償器來釋放管道二次熱應(yīng)力。自然補(bǔ)償器兩端通常是固定支架，其作為結(jié)構(gòu)條件的控制性因素，需及時準(zhǔn)確規(guī)劃。然而，設(shè)計開始階段，不能提供蒸汽管道應(yīng)力分析條件，很難判斷蒸汽管道布置的合理性。這就要求管道專業(yè)人員根據(jù)項目經(jīng)驗結(jié)合計算，在設(shè)計初期對全廠外管廊上管線的排布進(jìn)行規(guī)劃，合理設(shè)置固定點，以便提出準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)條件[2]。

2 煤化工廠蒸汽等級、參數(shù)及管道材質(zhì)

煤化工廠區(qū)通常有5種不同壓力等級和用途的蒸汽，S1高壓蒸汽、S2中壓蒸汽主要作為動力蒸汽使用，S3次中壓蒸汽、S4低壓蒸汽、S5低低壓蒸汽主要作為工藝物料的加熱、管線伴熱、冬季采暖等熱源使用。各蒸汽等級、參數(shù)及管道材質(zhì)見表1。

表1 蒸汽等級、參數(shù)及管道材質(zhì)

3 全廠外管廊蒸汽管線自然補(bǔ)償設(shè)計

以S1高壓蒸汽管道、S5低低壓蒸汽管道為例，對管廊中最常見的π型自然補(bǔ)償器進(jìn)行柔性分析。圖1為兩端固定、無變徑，中間通過π型自然補(bǔ)償器來吸收熱脹的管道模型。

圖1 π型自然補(bǔ)償器示意圖

3.1 DN400、S1高壓蒸汽管道實例核算

S1高壓蒸汽管道對應(yīng)圖1中的參數(shù)如下：U=60 m；A=27.2 m；B=7.5 m；C=5.6 m；H=1.5 m。

S1蒸汽管道設(shè)計參數(shù)如下：設(shè)計溫度545 ℃；設(shè)計壓力11.13 MPa；管道安裝溫度20 ℃；管道外徑406 mm；管道內(nèi)徑354 mm；管道壁厚26 mm；α為鋼材線膨脹系數(shù)，α=1.24×10-5mm/(mm·℃)；[σ]c為鋼材在20 ℃的基本許用應(yīng)力，[σ]c=147 MPa；[σ]h為鋼材在545 ℃的基本許用應(yīng)力，[σ]h=96.6 MPa；Ea為鋼材的彈性模量，當(dāng)溫度為20 ℃時，Ea=2.18×105MPa；當(dāng)溫度為545 ℃時，Ea=1.75×105MPa。

3.2 S1高壓蒸汽管道最大伸縮量核算

根據(jù)溫度和線性膨脹系數(shù)確定蒸汽管道的π彎立管下部彎頭處最大伸縮量。考慮到鋼管變形不易太大和管托長度的限制，最大伸縮量不得超過250 mm?？筛鶕?jù)式(1)計算管道最大伸縮量：

ΔL=α·A·ΔT

(1)

式中：ΔL為管道最大伸縮量，mm；A為固定支架到π彎處立管長度，mm；ΔT為溫差，℃。

表1中的數(shù)據(jù)根據(jù)式(1)可計算出模型中S1蒸汽管道的管道最大伸縮量為：ΔL=177 mm。計算結(jié)果滿足最大伸縮量不得超過250 mm的要求。

3.3 S1高壓蒸汽管道柔性分析

ASME B31.1—2020中提到了判斷管道柔性的簡便方法，如果能滿足式(2)，則可近似認(rèn)為管道柔性足夠好，不需要通過CAESARⅡ等軟件復(fù)驗[3]。

(2)

DN400、S1高壓蒸汽管道按照式(2)計算，不等號左邊的結(jié)果數(shù)值為489.5；不等號右邊的計算結(jié)果數(shù)值為198.4。

根據(jù)上述計算結(jié)果，S1蒸汽管線在設(shè)定的計算值下，不能滿足式(2)的要求，需要用CAESARⅡ來復(fù)驗該管道的柔性。

3.4 DN300、S5低低壓蒸汽管道實例核算

S5低低壓蒸汽管道對應(yīng)圖1中的參數(shù)如下：U=80 m；A=37.2 m；B=7.5 m；C=5.6 m；H=1.5 m。

S5蒸汽管道設(shè)計參數(shù)如下：設(shè)計溫度218 ℃；設(shè)計壓力0.8 MPa；管道安裝溫度20 ℃；管道外徑323.9 mm；管道內(nèi)徑307.14 mm；管道壁厚8.38 mm；α=1.234×10-5mm/(mm·℃)；[σ]c=130 MPa；[σ]h為鋼材在218 ℃的基本許用應(yīng)力，[σ]h=118 MPa；當(dāng)溫度為20 ℃時，Ea=1.92×105MPa；當(dāng)溫度為218 ℃時，Ea=1.85×105MPa。

3.5 S5低低壓蒸汽管道最大伸縮量核算

根據(jù)式(1)可計算出S5蒸汽管道的最大伸縮量ΔL為91 mm，滿足最大伸縮量不得超過250 mm的要求。

3.6 S5低低壓蒸汽管道柔性分析

DN300、S5低低壓蒸汽管道公式(2)不等號左邊的計算結(jié)果數(shù)值為195.4；不等號右邊的計算結(jié)果數(shù)值為208。

根據(jù)上述計算結(jié)果，S5蒸汽管線在設(shè)定的計算值下，能滿足式(2)的要求。

4 蒸汽管道自然補(bǔ)償器校核

CAESAR Ⅱ軟件能計算多種工況下的管道應(yīng)力，主要著重于計算管道在自重等持續(xù)荷載、管道內(nèi)壓、熱脹冷縮等狀態(tài)下產(chǎn)生的應(yīng)力。其中，一次應(yīng)力包括內(nèi)壓和持續(xù)荷載，用極限分析法校核；二次應(yīng)力主要指管道在熱態(tài)工況形變受約束產(chǎn)生的力，用控制冷熱工況循環(huán)量和驗算是否在許用應(yīng)力范圍內(nèi)的方法進(jìn)行校核[5]。

4.1 S1蒸汽管道一次應(yīng)力校核

根據(jù)ASME B31.1—2020，管道在熱態(tài)使用工況下，在管道內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力應(yīng)小于熱態(tài)許用應(yīng)力；管道在自重、內(nèi)壓和其他持續(xù)荷載所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力合力應(yīng)小于熱態(tài)許用應(yīng)力。

根據(jù)表1中S1蒸汽管道的數(shù)據(jù)在CAESARⅡ軟件中建模，如圖2所示。

圖2 S1蒸汽管道CAESAR Ⅱ模型示意圖

S1蒸汽管道在內(nèi)壓、自重和管道支吊架作用下，一次應(yīng)力的最大值見表2。

表2 S1蒸汽管道一次應(yīng)力作用下的最大應(yīng)力 MPa

CAESAR Ⅱ軟件顯示，S1蒸汽管道在工作狀態(tài)下的許用應(yīng)力為117 MPa，根據(jù)表2的計算結(jié)果可知，管道一次應(yīng)力作用下的最大應(yīng)力值為98.3 MPa，在169號節(jié)點處，小于其許用應(yīng)力，所以S1蒸汽管線一次應(yīng)力校核符合要求。

4.2 S1蒸汽管道二次應(yīng)力校核

S1蒸汽管道在熱態(tài)條件下，二次應(yīng)力的最大值見表3。

表3 S1蒸汽管道二次應(yīng)力作用下的最大應(yīng)力 MPa

CAESAR Ⅱ軟件顯示，S1蒸汽管道在熱態(tài)下的許用應(yīng)力為277 MPa，根據(jù)表3的計算結(jié)果可知，管道二次應(yīng)力作用下的最大應(yīng)力為249.7 MPa，在170號節(jié)點處，小于其許用應(yīng)力，所以S1蒸汽管線二次應(yīng)力校核符合要求。

4.3 S5蒸汽管道一次應(yīng)力校核

根據(jù)表1中S5蒸汽管道的數(shù)據(jù)在CAESAR Ⅱ軟件中建模，如圖3所示。

圖3 S5蒸汽管道CAESAR Ⅱ模型示意圖

S5蒸汽管道在內(nèi)壓、自重和管道支吊架作用下，一次應(yīng)力的最大值見表4。

表4 S5蒸汽管道一次應(yīng)力作用下的最大應(yīng)力 MPa

CAESAR Ⅱ軟件顯示，S5蒸汽管道在工作狀態(tài)下的許用應(yīng)力為136 MPa，根據(jù)表4的計算結(jié)果可知，管道一次應(yīng)力作用下的最大應(yīng)力為41.4 MPa，在340號節(jié)點處，小于其許用應(yīng)力，所以S5蒸汽管線一次應(yīng)力校核符合要求。

4.4 S5蒸汽管道二次應(yīng)力校核

S5蒸汽管道在熱態(tài)條件下，二次應(yīng)力的最大值見表5。

表5 S5蒸汽管道二次應(yīng)力作用下的最大應(yīng)力 MPa

CAESAR Ⅱ軟件顯示，S5蒸汽管道在熱態(tài)下的許用應(yīng)力為206.3 MPa，根據(jù)表5的計算結(jié)果可知，管道二次應(yīng)力作用下的最大應(yīng)力為118.5 MPa，在388號節(jié)點處，小于其許用應(yīng)力，所以S5蒸汽管線二次應(yīng)力校核符合要求。

4.5 其余蒸汽管道校核情況

根據(jù)上述方法，S2中壓蒸汽管道、S3次中壓蒸汽管道、S4低壓蒸汽管道在使用表1的數(shù)據(jù)以及S5蒸汽管道在CAESAR Ⅱ軟件中建模的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核后，均能滿足管線自然補(bǔ)償及一次應(yīng)力、二次應(yīng)力的要求。

5 結(jié)論

結(jié)合工程實例對蒸汽管線的自然補(bǔ)償器和固定點進(jìn)行了設(shè)計和設(shè)置，計算結(jié)果表明：采用ASME B31.1—2020中的式(2)對S1高壓蒸汽管道和S5低低壓蒸汽管道進(jìn)行柔性分析，S1高壓蒸汽管道不滿足計算要求，S5低低壓蒸汽管道滿足計算要求。但相同數(shù)據(jù)采用CAESAR Ⅱ軟件進(jìn)行校驗，結(jié)果滿足柔性分析要求。這說明在使用ASME B31.1—2020式(2)對管道柔性分析時，得到的是一個保守結(jié)果，不能直接應(yīng)用在工程實際中。

對于不同壓力等級的蒸汽管道，在全廠外管廊上排布采用π型自然補(bǔ)償器時，其固定點間距可參照下列數(shù)據(jù)：S1高壓蒸汽管道固定點間距為60 m，自然補(bǔ)償器長寬高尺寸為7.5 m×5.6 m×1.5 m；S5低低壓蒸汽管道固定點間距為80 m，自然補(bǔ)償器長寬高尺寸為7.5 m×5.6 m×1.5 m；S2中壓蒸汽管道、S3次中壓蒸汽管道、S4低壓蒸汽管道可參照S5低低壓蒸汽管道。采用上述設(shè)置，對蒸汽管道最大伸縮量和管道柔性進(jìn)行分析，均能滿足工程實際要求。