工業(yè)蒸汽管道的設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析探討

趙 颯

(河北生特瑞工程設(shè)計(jì)有限公司，河北 石家莊 050011)

化工行業(yè)普遍使用蒸汽作為熱源，蒸汽管道受熱產(chǎn)生熱膨脹，管道材料內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，以抵抗因受熱產(chǎn)生的變形。在考察的截面某一點(diǎn)單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力[1]。當(dāng)蒸汽管道在運(yùn)行時(shí)其內(nèi)的應(yīng)力接近或超過(guò)管材的極限應(yīng)力，材料就會(huì)被破壞。因此若管道設(shè)計(jì)不合理，將存在安全隱患。如：由于管道熱應(yīng)力導(dǎo)致管架被推壞，管道滑脫，彎頭焊縫開裂，設(shè)備管口被頂壞等，嚴(yán)重者會(huì)引發(fā)燃燒、爆炸。

1 蒸汽管道的設(shè)計(jì)

1.1 蒸汽管道的選材及強(qiáng)度計(jì)算

公稱直徑大于或等于DN50的蒸汽管道即屬于壓力管道，壓力管道的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程-工業(yè)管道》 TSG D0001，《壓力容器壓力管道設(shè)計(jì)許可規(guī)則》TSG R1001，《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道》GB/T 20801等規(guī)范的相關(guān)規(guī)定。在進(jìn)行蒸汽管道設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)蒸汽介質(zhì)的溫度、壓力確定管道及管件的設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、壓力等級(jí)等。近而確定管道材質(zhì)，一般情況下蒸汽管道可選用碳鋼材質(zhì)，但鑒于碳化物有可能轉(zhuǎn)化為石墨的的可能，碳鋼不宜在425℃以上的溫度下長(zhǎng)期使用[2]。溫度較高的蒸汽還可以選用15CrMo、不銹鋼材質(zhì)。

根據(jù)蒸汽使用量計(jì)算管徑，查閱手冊(cè)可得到蒸汽的常用流速推薦范圍值。管徑確定后，依據(jù)GB/T 20801.3中直管內(nèi)壓設(shè)計(jì)中的計(jì)算厚度公式(1)計(jì)算壁厚t，碳鋼管道需考慮腐蝕裕量。

(1)

式中：P——設(shè)計(jì)壓力，單位為兆帕(MPa)；

D——管子外徑，取管子外徑的名義值，或由實(shí)測(cè)所得，單位為毫米(mm)；

S——設(shè)計(jì)溫度下管道組成件金屬材料的許用應(yīng)力，由GB/T 20801.2-2006表A.1查取，單位為兆帕(MPa)；

Φ(Φw、Φc)——焊件的縱向焊接接頭系數(shù)或鑄件質(zhì)量系數(shù)，按GB/T 20801.2-2006表A.3、表A.4；

1.2 蒸汽管道的管道布置[3]

蒸汽管道的布置需考慮管道的柔性，管道在設(shè)計(jì)溫度壓力下工作時(shí)，由于熱脹冷縮、端點(diǎn)附加位移、管道支架設(shè)置不當(dāng)?shù)葘a(chǎn)生應(yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致變形、斷裂、破壞等情況。管道的柔性使管道通過(guò)自身變形吸收因溫度變化或其他原因產(chǎn)生的位移。通常通過(guò)自然補(bǔ)償或使用補(bǔ)償器的方法增加管道的柔性。常用的自然補(bǔ)償為L(zhǎng)形直角彎、Z字形折角彎及空間立體彎。管道補(bǔ)償器常用的有矩形補(bǔ)償器、套筒式補(bǔ)償器、波紋補(bǔ)償器等，其中矩形補(bǔ)償器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、運(yùn)行可靠成為首選[4]。

在進(jìn)行蒸汽管道設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)裝置現(xiàn)場(chǎng)情況確定管道走向，設(shè)置好固定支架的位置，即將管道分成不同的段，每?jī)蓚€(gè)固定支架之間算一段。對(duì)于有水平轉(zhuǎn)彎或Z形轉(zhuǎn)彎的管道在轉(zhuǎn)彎處設(shè)置好固定支架，盡量利用L形直角彎、Z字形折角彎進(jìn)行自然補(bǔ)償。

(1)L形直角彎處可先設(shè)定好長(zhǎng)臂的固定點(diǎn)，然后根據(jù)公式(2)計(jì)算出短臂的長(zhǎng)度，從而確定另一個(gè)固定支架的位置。

(2)

其中l(wèi)——L型自然補(bǔ)償短臂長(zhǎng)度(m)；ΔL——長(zhǎng)臂的熱伸長(zhǎng)量(mm)；Dw——管道外徑(mm)。

管道熱伸長(zhǎng)量按式(3)計(jì)算：

(3)

其中ΔL——管道的熱伸長(zhǎng)量(mm)；L——計(jì)算管長(zhǎng)(m)；a——管道的線膨脹系數(shù)[cm/(m ·℃)]；t2——管道內(nèi)介質(zhì)溫度(℃)；t1——管道設(shè)計(jì)安裝溫度(℃)，可取20℃。

(2)Z形折角彎處先預(yù)先設(shè)定好兩個(gè)臂的固定點(diǎn)，如圖1所示。然后根據(jù)公式(4)計(jì)算短臂的長(zhǎng)度l，計(jì)算出來(lái)的結(jié)果與實(shí)際短臂長(zhǎng)度進(jìn)行比較，然后再適當(dāng)調(diào)整固定點(diǎn)的位置，重新計(jì)算短臂長(zhǎng)度，直到計(jì)算值與實(shí)際長(zhǎng)度大致相符。

(4)

圖1 Z形自然補(bǔ)償段

(3)對(duì)于較長(zhǎng)的直管段，每隔30～40m需設(shè)置一個(gè)固定點(diǎn)，兩固定點(diǎn)中間可設(shè)置一個(gè)矩形補(bǔ)償器。首先使用公式(3)計(jì)算管道熱伸長(zhǎng)量，然后根據(jù)熱伸長(zhǎng)量查手冊(cè)選擇補(bǔ)償能力能滿足要求的矩形補(bǔ)償器。對(duì)于另有要求或設(shè)置矩形補(bǔ)償器有困難的情況下，可以選用波紋補(bǔ)償器等。

按照以上方法經(jīng)過(guò)固定點(diǎn)分割以及補(bǔ)償器設(shè)置后，可在此基礎(chǔ)上設(shè)置滑動(dòng)支架及導(dǎo)向支架。然后可以采用計(jì)算機(jī)輔助應(yīng)力分析軟件(Caesar II)對(duì)管道進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力計(jì)算。

2 蒸汽管道的應(yīng)力分析

為了保證管道在設(shè)計(jì)條件下有足夠的柔性，需對(duì)管道要進(jìn)行應(yīng)力分析。管道應(yīng)力分析的方法一般分為三種：經(jīng)驗(yàn)判斷法、簡(jiǎn)單分析法和詳細(xì)分析法，見圖2。經(jīng)驗(yàn)分析法是指與運(yùn)行良好的管道相比較，其管道形狀、尺寸、操作條件均基本相當(dāng)?shù)墓艿??；蚺c已分析的管道相比較，確認(rèn)有足夠柔性的管道。簡(jiǎn)單分析法是指利用圖、表等方法對(duì)幾何形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的管系進(jìn)行近似解析計(jì)算。詳細(xì)計(jì)算一般是通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助應(yīng)力分析計(jì)算。應(yīng)力分析方法的選擇可參照下圖進(jìn)行選擇[5]。

為了準(zhǔn)確的計(jì)算管道應(yīng)力及管道支架的受力，需要進(jìn)行詳細(xì)分析的管道可采用Caesar II進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，將前面設(shè)計(jì)好的管道分節(jié)點(diǎn)輸入軟件中，并輸入管道的管徑、壁厚、材料、腐蝕余量、介質(zhì)溫度、壓力、密度、保溫材料、密度、厚度、許用應(yīng)力等。計(jì)算結(jié)果可得到安裝工況、運(yùn)行工況的各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力、位移、約束點(diǎn)的力和力矩等，由此可判斷出管道設(shè)計(jì)、支架設(shè)置等是否合理，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化管道布置。

圖2 管道應(yīng)力分析方法

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，蒸汽管道的設(shè)計(jì)首先根據(jù)介質(zhì)溫度、壓力進(jìn)行選材，根據(jù)蒸汽用量確定管徑，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算選擇合適的壁厚。然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定管道走向，初步設(shè)置固定點(diǎn)、補(bǔ)償器，設(shè)置滑動(dòng)支架、導(dǎo)向支架，最后采用Caesar II軟件進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力計(jì)算，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化管道設(shè)計(jì)，從而確保蒸汽管線運(yùn)行的安全可靠。