黃旭東

(中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司華東分院,南京 210023)

為了響應(yīng)國家節(jié)能環(huán)保政策,貫徹落實(shí)“集約發(fā)展、綠色發(fā)展”理念,化工園區(qū)企業(yè)將逐步關(guān)停燃煤鍋爐,由高效節(jié)能大型熱電廠實(shí)現(xiàn)區(qū)域集中供熱。園區(qū)企業(yè)整體用熱參數(shù)較高,需建設(shè)滿足用戶需求的高溫中壓長輸熱網(wǎng)。蒸汽管道長輸技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟,其中高溫中壓蒸汽管道長輸在技術(shù)上要求更高,鋼套鋼蒸汽管道在地埋、地下空間穿越及特殊地段使用上應(yīng)注重安全,采取更為可靠方式。本文以設(shè)計(jì)參數(shù)510 ℃、5.83 MPa(g)的DN500蒸汽管道為例,結(jié)合實(shí)際應(yīng)用,探討高溫中壓鋼套鋼蒸汽管道設(shè)計(jì)思路。

鋼套鋼蒸汽管道具有較好的耐外壓、防潮防水性能,具有常規(guī)架空保溫結(jié)構(gòu)無法比擬的優(yōu)勢,可用于蒸汽管道保護(hù)及特殊條件下降低對(duì)外界影響,主要敷設(shè)方式有直接地埋、管溝架空、涵洞架空、地面架空等幾種方式。1)直接地埋：最為常見,適用于具備埋設(shè)深度,周邊對(duì)溫度不敏感的一般地段;2)管溝架空：適用于埋深不滿足規(guī)范要求需對(duì)管道進(jìn)行保護(hù)或需要控制管道對(duì)周圍熱影響區(qū)域,無人員通行要求;3)涵洞架空：適用于穿越高等級(jí)公路等重要地段,一般由相關(guān)產(chǎn)權(quán)部門提出要求;4)地面架空：適用于地下存在障礙,無法直接地埋敷設(shè)或設(shè)置支墩基礎(chǔ)地段,將鋼套鋼蒸汽管道布置于地面平板基礎(chǔ)上,由其承受管道重力及支座反力。

1 工藝計(jì)算

1.1 工作管及附件材料選用

考慮到管道工藝參數(shù)的特性,鋼套鋼蒸汽管道工作管的管材、管件按照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)選取。依據(jù)《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5054—2016),選用管道、管件材質(zhì)為12Cr1MoVG,鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)為《高壓鍋爐用無縫鋼管》(GB/T 5310—2017),管件執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《電站鋼制對(duì)焊管件》(DL/T 695—2014)。

1.2 工作管壁厚確定

工作管設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度下所需的直管理論最小壁厚按管子外徑確定公式計(jì)算[1]33,同時(shí)考慮到滿足管網(wǎng)長期(按30年)安全穩(wěn)定運(yùn)行要求下腐蝕、磨損和機(jī)械強(qiáng)度要求的附加厚度等因素,計(jì)算后管道選取規(guī)格D530×22。彎管加工完成后的最小壁厚按外徑確定公式計(jì)算[1]38,計(jì)算后彎管選取規(guī)格為D530×25,選用R=1.5DN～3DN熱壓無縫彎頭。

1.3 外套管選用及壁厚確定

考慮到使用性能及生產(chǎn)加工方便,鋼套鋼蒸汽管道外套管優(yōu)先選用《石油天然氣工業(yè)管線輸送用鋼管》(GB/T 9711—2017)標(biāo)準(zhǔn)中的雙面埋弧螺旋焊接鋼管,材質(zhì)L245。由于是帶空氣層的保溫結(jié)構(gòu),外套管的外徑與壁厚比值不大于100[2]21。

2 保溫設(shè)計(jì)

2.1 鋼套管外表面控制溫度

根據(jù)敷設(shè)方式不同,考慮到鋼套鋼外防腐層使用壽命、減小對(duì)周邊環(huán)境的熱影響及防燙傷等要求,以上幾種敷設(shè)方式套管外壁溫度控制要求如下：直接地埋控制套管外表面溫度不超過50 ℃[2]13。管溝架空及涵洞架空根據(jù)情況可適當(dāng)放寬,將套管外表面溫度控制在60 ℃以下。地面架空需考慮防燙傷,控制套管外表面溫度在60 ℃以下[3]18。

2.2 主保溫材料參數(shù)

蒸汽管道保溫結(jié)構(gòu)示意如圖1,主保溫材料由若干層二氧化硅氣凝膠毯及高溫玻璃棉復(fù)合而成,保溫層外側(cè)與工作管之間留有一定的空氣層,該保溫結(jié)構(gòu)可有效降低外套管口徑,節(jié)省工程造價(jià)。

圖1 蒸汽管道保溫結(jié)構(gòu)示意圖

保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)層使用二氧化硅氣凝膠毯(以下簡稱“氣凝膠”),最高使用溫度650 ℃,燃燒性能為不燃A級(jí),其熱導(dǎo)率擬合式如式(1)。

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

(1)

式中：λa為氣凝膠熱導(dǎo)率,W/(m·K) ;tm為保溫材料平均使用溫度,℃。

保溫結(jié)構(gòu)外層使用高溫玻璃棉(以下簡稱“玻璃棉”),安全使用溫度450 ℃以下,燃燒性能為不燃A級(jí),其熱導(dǎo)率擬合式如式(2)。

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

(2)

式中：λg為玻璃棉熱導(dǎo)率,W/(m·K)。

2.3 保溫厚度計(jì)算

按照控制外套管外表面溫度方法,分別計(jì)算不同敷設(shè)方式所需保溫層厚度。

(1)直接地埋

管道敷土深度按1.5 m計(jì)算,項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)位于南京附近,土壤自然溫度取24.2 ℃[2]附錄A,大氣溫度取最熱月平均環(huán)境溫度28.1 ℃[3]附錄C,土壤的導(dǎo)熱系數(shù)λ取1.5 W/(m·K)[2]13-14,管道上方地表大氣換熱系數(shù)α取12 W/(m2·K)[2]16,鋼套鋼管道內(nèi)干空氣層導(dǎo)熱系數(shù)按0～250 ℃溫度區(qū)間,查干空氣物性參數(shù)表后輸入軟件。工作管保溫材料結(jié)構(gòu)層越薄,其外套管表面溫度越高,反之外套管表面溫度越低。氣凝膠、玻璃棉及空氣層組合而成的保溫方案滿足鋼套管外表面溫度不超過50 ℃、氣凝膠外層溫度不超過玻璃棉安全使用溫度0.8倍[2]13即360 ℃為可行性方案。滿足溫度條件且單位長度造價(jià)最低方案為最優(yōu)方案,可行性方案經(jīng)初步判斷可確定較優(yōu)方案,對(duì)較優(yōu)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選可確定最優(yōu)方案。經(jīng)AFT Arrow軟件模擬計(jì)算,該敷設(shè)條件下不同保溫層厚度較優(yōu)方案比選如表1。

表1 直接地埋敷設(shè)不同保溫層厚度較優(yōu)方案比選

從保溫層厚度上可以看出方案1經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于方案2,通過對(duì)外套管、外套管防腐、保溫材料用量進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較,方案3比方案1單位長度造價(jià)增加約5.7%,最終確定方案1為最優(yōu)方案。

(2)管溝架空

風(fēng)速ω為0,環(huán)境溫度Ta取40 ℃[3]26,絕熱層外表面溫度取59 ℃,計(jì)算出外表面換熱系數(shù)as為2.1 W/(m2·K)[3]27,換熱形式主要為輻射換熱。

(3)涵洞架空

風(fēng)速ω為0,最熱月平均環(huán)境溫度Ta取28.1 ℃[3]附錄C,絕熱層外表面溫度取59 ℃,計(jì)算出外表面換熱系數(shù)as為1.9 W/(m2·K)[3]27,換熱形式主要為輻射換熱。

(4)地面架空

室外風(fēng)速ω取2.6 m/s,最熱月平均環(huán)境溫度Ta取28.1 ℃[3]附錄C,防燙傷計(jì)算外表面換熱系數(shù)as取8.141 W/(m2·K)[3]27,換熱形式為對(duì)流換熱及輻射換熱。

(5)不同敷設(shè)方式保溫效果比較

通過軟件模擬計(jì)算管溝架空、涵洞架空、地面架空保溫層厚度較優(yōu)方案,并經(jīng)經(jīng)濟(jì)比選確定保溫層厚度最優(yōu)方案。四種不同類型敷設(shè)方式保溫層厚度最優(yōu)方案匯總見表2。

對(duì)照計(jì)算結(jié)果,環(huán)境溫度及表面換熱系數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大,相同條件下,通過調(diào)整不同保溫材料厚度,在氣凝膠外層溫度接近于玻璃棉許用溫度0.8倍處可以獲得較為經(jīng)濟(jì)的保溫結(jié)構(gòu)配比。

3 熱補(bǔ)償

鋼套鋼蒸汽管道工作管常用熱補(bǔ)償方式有套管內(nèi)安裝軸向波紋管補(bǔ)償器補(bǔ)償、利用管道柔性自然補(bǔ)償、連接旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器補(bǔ)償?shù)取?/p>

波紋管補(bǔ)償器利用波紋管的伸縮變形實(shí)現(xiàn)熱補(bǔ)償,其核心是由多層不銹鋼薄板制作而成波紋管,該部件對(duì)溫度壓力很敏感,易在水擊效應(yīng)下變形,具有爆裂風(fēng)險(xiǎn),在高溫中壓蒸汽管道上使用對(duì)產(chǎn)品技術(shù)要求極高?？紤]到安全性,該參數(shù)等級(jí)管道不建議采用波紋補(bǔ)償器補(bǔ)償。

自然補(bǔ)償方式為通過彎頭或彎管構(gòu)造平面或空間π彎,利用管道自身的柔性進(jìn)行熱補(bǔ)償,該補(bǔ)償方式適用范圍廣、技術(shù)成熟、安全可靠。

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器補(bǔ)償為旋臂帶動(dòng)旋筒轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)管道熱位移釋放的熱補(bǔ)償方式,該補(bǔ)償方式在長距離輸送熱網(wǎng)上應(yīng)用較為廣泛。之前該技術(shù)在高溫中壓管道上的應(yīng)用上不夠成熟,主要存在密封使用柔性石墨氧化燒蝕較快問題。近年來,隨著產(chǎn)品技術(shù)不斷發(fā)展,旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在該參數(shù)條件下可長時(shí)間穩(wěn)定工作,具有較高的安全性。

高溫中壓鋼套鋼蒸汽管道工作管熱補(bǔ)償方式推薦采用自然補(bǔ)償和旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器補(bǔ)償,具體布置應(yīng)結(jié)合前后連接管道而定。

直接地埋敷設(shè)外套管由土壤進(jìn)行承重及錨固,由于工作時(shí)外套管溫度不超過50 ℃,安裝條件下溫差產(chǎn)生的軸向熱應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力,采用冷安裝直埋敷設(shè)無需設(shè)置補(bǔ)償器。

管溝、涵洞及地面架空敷設(shè)外套管熱補(bǔ)償一般不需要設(shè)置補(bǔ)償器,可將外套管中間位置設(shè)置成固定支架,兩側(cè)加設(shè)一定的滑動(dòng)支架及導(dǎo)向支架,實(shí)現(xiàn)兩端自由膨脹。

4 管道跨距

(1)工作管跨距

工作管架設(shè)于鋼制外套管內(nèi),其允許跨距按強(qiáng)度和剛度兩個(gè)條件進(jìn)行計(jì)算,取其中較小值作為推薦最大跨距。設(shè)計(jì)參照支吊架間距計(jì)算公式[1]103-104,最大允許跨距計(jì)算中考慮了復(fù)合保溫材料荷重,超載系數(shù)按1.2,工作管直管段最大允許跨距計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 工作管直管段最大允許跨距表 m

考慮到減小單個(gè)支架的受力,鋼套鋼管道內(nèi)部支架布置時(shí)建議適當(dāng)縮短該跨距,可按8 m控制。

(2)外套管跨距

架空敷設(shè)鋼套鋼蒸汽管道需對(duì)外套管跨距進(jìn)行計(jì)算,外套管跨距需考慮工作管、復(fù)合保溫材料、工作管支架及自身荷重,運(yùn)行溫度取60 ℃,超載系數(shù)按1.2。考慮控制管道撓度,設(shè)計(jì)參照支吊架間距計(jì)算公式[1]103-104,鋼套鋼外套管直管段最大允許跨距計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 鋼套鋼外套管直管段最大允許跨距表 m

根據(jù)計(jì)算,管溝架空外套管可按17 m控制跨距,涵洞架空及地面架空可按13 m控制跨距。直接地埋敷設(shè)外套管由土壤進(jìn)行承重及錨固,且熱應(yīng)力水平較低,無需考慮管道跨距及設(shè)置管道支架。

5 管道支架

(1)工作管支架

高溫條件下,鋼套鋼蒸汽管道工作管推薦采用帶滾動(dòng)軸承的導(dǎo)向支架及帶硬質(zhì)隔熱塊的軸向限位支架。滾動(dòng)軸承導(dǎo)向支架摩擦系數(shù)小、穩(wěn)定性好,更有利于工作管在外套管內(nèi)滑動(dòng)。由于熱傳導(dǎo)效應(yīng),低溫管道使用的錐形桶焊接式固定支架用于高溫蒸汽管道會(huì)造成外套管溫度過高,導(dǎo)致防腐層失效。高溫鋼套鋼蒸汽管道支架工作管與外套管之間可采用軸向限位支架替代固定支架。帶滾動(dòng)軸承的導(dǎo)向支架結(jié)構(gòu)形式見圖2,帶硬質(zhì)隔熱塊的軸向限位支架結(jié)構(gòu)形式見圖3。

圖2 導(dǎo)向支架結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 軸向限位支架結(jié)構(gòu)示意圖

(2)架空敷設(shè)外套管支架

架空管道支架由Q235B鋼板拼焊而成,D為1 016 mm及1 219 mm時(shí),θ取120°,弧形鋼板弧長取θ+12°,底板長度A取700 mm、寬度C取200～300 mm。管道支架底部置于土建預(yù)埋鋼板上,上部弧形鋼板與管道焊接連接,根據(jù)約束條件不同,可設(shè)置成導(dǎo)向支架、滑動(dòng)支架或固定支架,其構(gòu)造示意如圖4。

圖4 架空敷設(shè)外套管支架構(gòu)造示意圖

6 結(jié)語

(1)鋼套鋼蒸汽工作管管材、管件、跨距設(shè)計(jì)計(jì)算建議按電力行業(yè)規(guī)范。

(2)根據(jù)不同應(yīng)用場景進(jìn)行保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)于氣凝膠、玻璃棉及空氣層復(fù)合而成的三層保溫結(jié)構(gòu)形式,在氣凝膠外側(cè)溫度接近于玻璃棉安全使用溫度的0.8倍處(合理使用上限溫度),可獲得較為經(jīng)濟(jì)的保溫結(jié)構(gòu)配比。

(3)工作管架設(shè)于鋼制外套管內(nèi),其熱補(bǔ)償方式可結(jié)合前后連接管道采用自然補(bǔ)償及旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器補(bǔ)償。

(4)鋼套鋼工作管支架推薦采用帶滾動(dòng)軸承的導(dǎo)向支架及帶硬質(zhì)隔熱塊的軸向限位支架,具有較好的滑動(dòng)性能及隔熱性能。