煤化工項(xiàng)目管廊蒸汽管線自然補(bǔ)償器設(shè)置研究

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(xiàng)目的規(guī)?；?、集成化和深加工化，大型煤化工廠均實(shí)現(xiàn)了從塊煤到聚烯烴塑料生產(chǎn)的全過(guò)程，因此煤化工廠各個(gè)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(lái)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(diǎn)，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(lái)越大。要求設(shè)計(jì)人員在全廠外管廊設(shè)計(jì)前進(jìn)行一個(gè)全局的規(guī)劃，例如：各個(gè)壓力等級(jí)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(xiàng)目為例，通過(guò)計(jì)算和工程設(shè)計(jì)實(shí)例，分析了蒸汽管線的自然補(bǔ)償器設(shè)計(jì)、設(shè)置和固定點(diǎn)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(jì)中，為了配合現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，需要合理安排各個(gè)專(zhuān)業(yè)的出圖順序。管廊土建和鋼結(jié)構(gòu)作為較早開(kāi)始施工的部分，需要盡早開(kāi)始設(shè)計(jì)。

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(lái)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(shí)準(zhǔn)確規(guī)劃。然而，設(shè)計(jì)開(kāi)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(zhuān)業(yè)人員根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)結(jié)合計(jì)算，在設(shè)計(jì)初期對(duì)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(diǎn)，以便提出準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)條件[2]。

2 煤化工廠蒸汽等級(jí)、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(jí)和用途的蒸汽，S1高壓蒸汽、S2中壓蒸汽主要作為動(dòng)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(jí)、參數(shù)及管道材質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 蒸汽等級(jí)、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(jì)

以S1高壓蒸汽管道、S5低低壓蒸汽管道為例，對(duì)管廊中最常見(jiàn)的π型自然補(bǔ)償器進(jìn)行柔性分析。圖1為兩端固定、無(wú)變徑，中間通過(guò)π型自然補(bǔ)償器來(lái)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(shí)例核算

S1高壓蒸汽管道對(duì)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(jì)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)溫度545 ℃；設(shè)計(jì)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(shí)，Ea=2.18×105MPa；當(dāng)溫度為545 ℃時(shí)，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?？紤]到鋼管變形不易太大和管托長(zhǎng)度的限制，最大伸縮量不得超過(guò)250 mm。可根據(jù)式(1)計(jì)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(zhǎng)度，mm；ΔT為溫差，℃。

表1中的數(shù)據(jù)根據(jù)式(1)可計(jì)算出模型中S1蒸汽管道的管道最大伸縮量為：ΔL=177 mm。計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足最大伸縮量不得超過(guò)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(jiǎn)便方法，如果能滿(mǎn)足式(2)，則可近似認(rèn)為管道柔性足夠好，不需要通過(guò)CAESARⅡ等軟件復(fù)驗(yàn)[3]。

(2)

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

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，S1蒸汽管線在設(shè)定的計(jì)算值下，不能滿(mǎn)足式(2)的要求，需要用CAESARⅡ來(lái)復(fù)驗(yàn)該管道的柔性。

3.4 DN300、S5低低壓蒸汽管道實(shí)例核算

S5低低壓蒸汽管道對(duì)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(jì)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)溫度218 ℃；設(shè)計(jì)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(shí)，Ea=1.92×105MPa；當(dāng)溫度為218 ℃時(shí)，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(jì)算出S5蒸汽管道的最大伸縮量ΔL為91 mm，滿(mǎn)足最大伸縮量不得超過(guò)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(hào)左邊的計(jì)算結(jié)果數(shù)值為195.4；不等號(hào)右邊的計(jì)算結(jié)果數(shù)值為208。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，S5蒸汽管線在設(shè)定的計(jì)算值下，能滿(mǎn)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(jì)算多種工況下的管道應(yīng)力，主要著重于計(jì)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(yàn)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(jiàn)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(jì)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(hào)節(jié)點(diǎn)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(jiàn)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(jì)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(hào)節(jié)點(diǎn)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(jiàn)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(jì)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(hào)節(jié)點(diǎn)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(jiàn)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(jì)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(hào)節(jié)點(diǎn)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(mǎn)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(shí)例對(duì)蒸汽管線的自然補(bǔ)償器和固定點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和設(shè)置，計(jì)算結(jié)果表明：采用ASME B31.1—2020中的式(2)對(duì)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(mǎn)足計(jì)算要求，S5低低壓蒸汽管道滿(mǎn)足計(jì)算要求。但相同數(shù)據(jù)采用CAESAR Ⅱ軟件進(jìn)行校驗(yàn)，結(jié)果滿(mǎn)足柔性分析要求。這說(shuō)明在使用ASME B31.1—2020式(2)對(duì)管道柔性分析時(shí)，得到的是一個(gè)保守結(jié)果，不能直接應(yīng)用在工程實(shí)際中。

對(duì)于不同壓力等級(jí)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(shí)，其固定點(diǎn)間距可參照下列數(shù)據(jù)：S1高壓蒸汽管道固定點(diǎn)間距為60 m，自然補(bǔ)償器長(zhǎng)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(diǎn)間距為80 m，自然補(bǔ)償器長(zhǎng)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(duì)蒸汽管道最大伸縮量和管道柔性進(jìn)行分析，均能滿(mǎn)足工程實(shí)際要求。