厂区外管廊上蒸汽管道的设计

引言

厂区外管廊上的蒸汽管道是衔接各工艺装置的重要组成部分。根据蒸汽饱和程度的不同,可分为饱和蒸汽和过热蒸汽。蒸汽的操作温度一般在100～600℃,特殊情况下过热蒸汽的温度会超过600℃。一般石化装置用蒸汽的主要用途包括动力用、加热用、工艺用、吹扫用、灭火/消防用、稀释用、事故用。根据蒸汽管道操作压力的不同,可以分为高压蒸汽管道、中压蒸汽管道和低压蒸汽管道。譬如经常被采用的10MPa蒸汽为高压蒸汽,4MPa蒸汽为中压蒸汽,1MPa和3MPa蒸汽为低压蒸汽。

1管廊上蒸汽主管的选材、布置和支架设计

管廊上蒸汽管道的材质可根据蒸汽的温度来选择。若蒸汽温度不超过400℃,可采用20#钢;若蒸汽温度大于400℃小于600℃,可采用15CrMo合金钢;若蒸汽温度大于600℃,需根据具体的温度及介质特性选用合适的耐热钢。20#钢为低碳碳素钢,强度低,具有良好的韧性、塑性和焊接性。15CrMo合金钢在高温的环境下还能保持较高的热强性和抗氧化性,并具有一定的抗氢腐蚀能力,这种材质的钢管因含Cr元素,比无缝钢管更耐高温、腐蚀,所以15CrMo合金钢在石油、化工、电力、锅炉等行业经常被采用。耐热钢是合金钢,其在高温下能保持较高的强度和良好的化学稳定性,譬如06Cr18Ni11Ti钢可耐高温850℃,对应AsTM321材质。

蒸汽管道大多为架空敷设。某石化项目透平装置提供6根蒸汽管道,通过厂区外管廊输送给各个化工装置区用户。其中2根为中压过热蒸汽管道,设计压力5MPa,设计温度460℃;另2根是中压蒸汽管道,设计压力2MPa,设计温度365℃;还有2根是低压蒸汽管道,设计压力1.2MPa,设计温度275℃。根据各装置区用户的需求量,来计算全厂的蒸汽平衡,确定不同等级蒸汽所需的消耗量,再计算蒸汽管道的管径。全厂蒸汽管网计算的最终结果是,中压过热蒸汽管道管径为DN600,中压蒸汽管道的管径为DN700,低压蒸汽管道的管径为DN800。2根低压蒸汽管道选用CL150的20#碳钢,2根中压蒸汽管道选用CL300的20#碳钢,而2根中压过热蒸汽管道选用CL600的15CrMo合金钢。

此项目厂区外管廊共9条,总长约8km,其中4条主管廊含有6根蒸汽主管,管廊共有3层,设计宽度为10m,6根蒸汽管道布置在管廊的中间层。蒸汽管道布置原则是大口径的管道靠近两侧管廊柱,温度高的管道靠外侧布置。因此,管道布置从左到右依次为DN600中压过热蒸汽管道、DN700中压蒸汽管道、DN800低压蒸汽管道、DN800低压蒸汽管道、DN700中压蒸汽管道、DN600中压过热蒸汽管道,左边3根尽量靠左布置,右边3根尽量靠右布置,中间位置可布置其他公用工程管道或作为管廊上的预留管位。管道水平间距除了考虑管道外径、保温厚度和最小净距外,还应考虑管道膨胀发生的横向位移,需保持足够的空间,避免管道相互挤压。

管廊上管道的自然补偿方案一般都是布置m形补偿器,当有多根管道都需加m形补偿器时,宜集中成组布置。6根蒸汽管道集中布置的话可有多种配管方案,常规配管方案如图1所示。

此方案每根蒸汽管道设一个m形补偿器,两根DN600中压过热蒸汽管道的m形补偿器臂长最长,中压蒸汽管道次之,低压蒸汽管道最短:理由是管道的温度越高,自身所需的自然补偿量越大,需要的臂长就越长。m形补偿器嵌套成组布置,在满足管道柔性的同时,既节省空间,又整齐美观。

经过优化之后的配管方案如图2所示。与图1所示的方案对比,本方案的优点是在相同的空间内中压蒸汽管道和低压蒸汽管道的臂长更长,缺点是3根管道的m形补偿器中部无法集中支撑。此方案蒸汽管道的自然补偿能力更好,缺点反而显得微不足道。m形补偿器的臂长可根据应力分析要求往管廊外适量延伸,延伸时避开管廊柱并考虑管道支撑即可。

蒸汽管道m形补偿器的自然补偿能力若要达到良好的效果,还得选择适当的支撑形式。蒸汽管道常用的支撑形式有3种,分别为承重支架、导向支架和固定支架。支架的布置如图3所示。

蒸汽管道带有保温层,所有支撑都需设置管托,管托的高度应大于管道保温层厚度,管托的长度应足够长以免出现脱落的情况。一般m形补偿器都处于两个固定点之间,将蒸汽管道的工艺参数和配管方案输入CAEsARII模型,进行初步的应力分析即可推算出两个固定点之间的距离,最好对整个蒸汽管网包括支管在内一起做应力分析,而不要分段独立做应力分析。设置固定支架时,一种方式可以将管托焊接到结构上,缺点是不易拆换:另一种方式是在管托的前后左右设限位,间隙可保留1～3mm,特殊情况可根据应力分析结果调整间隙。在m形补偿器两侧一定距离可设置导向架,阻止管道产生大的横向位移:导向支架的位置不宜设在弯头和支管的旁边,导向支架距m形补偿器为32Dn～40Dn(Dn为蒸汽管道管径）,具体位置应以应力分析结果为准。除固定支架和导向支架外,其他需承重的地方都设承重支架。当管廊上有多根管道集中布置时,应尽量错开放置支架,使管道的推力作用在不同的结构梁上,从而减少对管廊单一点的作用力,以免管廊柱设计规格过大,可以达到节省经济预算的目的。

2管廊上蒸汽支管的布置

蒸汽支管的管径应根据装置区内用户的蒸汽用量,结合全厂蒸汽管网平衡来计算。蒸汽支管从就近的厂区外廊上蒸汽主管上接出,衔接厂区外管廊的主管廊和装置内管廊之间的管廊为支管廊。蒸汽支管的布置需遵循以下要求:

(1）蒸汽支管应自蒸汽主管的顶部接出:

(2）蒸汽支管与主管连接处应避开m形补偿器的位置,尽量不影响主管的变形和位移:

(3）支管廊上的蒸汽支管如受到主管的应力影响,应设自然补偿:

(4）蒸汽支管上的切断阀应安装在靠近主管的水平管段上,以避免存液:

(5）蒸汽支管用于动力、加热及工艺等重要用途时,不得再从支管上引出分支用于灭火/消防、吹扫等其他用途。

蒸汽支管在进入装置前应在靠近分界线处设固定点,如有足够的空间,可在支管廊上设m形补偿器来满足应力要求。如距离较短,可采用L形、Z形或U形等管道路径,让支管保留足够的管道柔性。

3管廊上蒸汽管道的疏水设计

在蒸汽输送过程中,由于热量损失会产生一部分凝结水,当凝结水聚集到一定量时,会产生水击等现象,影响管道安全,必须采取疏水措施,及时排除蒸汽中的凝结水。

蒸汽管道的疏水有两种设置方式,分别为经常疏水和启动疏水。经常疏水,是指在蒸汽管道运行期间产生的凝结水通过疏水阀的功能隔离蒸汽自动排除凝结水。启动疏水,是指在启动暖管过程中通过手动阀排除产生的凝结水。一般应在饱和蒸汽管道端部、长管段上一定距离、低点积液处、立管下端设经常疏水。

厂区外管廊上的蒸汽管道每两个m形补偿器之间都存在低点,应在低点处设置分液包并疏水,同时不可影响管道本身的自然补偿。还应在管道停止流动部分(如管道末端)、管道上关闭部分以及管道流向改变处设置疏水点。过热蒸汽管道一般在开始暖管时会产生一部分凝结水,正常运行时很少会产生凝结水,采用启动疏水方式,可以在分液包的下部设手动阀,手动打开排液即可饱和蒸汽管道应采用经常疏水方式,需在分液包的侧面引出疏水管去疏水,并在疏水管上安装疏水阀常用分液包型式如图4所示。

分液包的下部和侧部疏水管上均为闸阀。当蒸汽管道管径Dn≤80时,分液包与蒸汽管道管径相同:当蒸汽管道管径100≤Dn≤250时,分液包管径取DN80:当蒸汽管道管径Dn≥300时,分液包管径取DN150。当蒸汽管道管径Dn≤300时,疏水管管径取DN20:当蒸汽管道管径Dn≥400时,疏水管管径取DN25另外,分液包应与管廊横梁保持足够的距离,且不小于200mm,从而给蒸汽管道的热位移以及管道保温安装留出所需的空间。

从分液包引出的疏水管应靠近管廊柱往下,在距离地面以上易操作的高度安装疏水阀。疏水阀一般安装在水平管道上,并直立安装:疏水阀安装时应选择操作和检修方便的地方,安装位置不得高于蒸汽主管疏水阀的入口管道设低点排放且不应有袋形,如有必要可配合安装过滤器,管道如需变径可采用底平偏心异径管当凝结水无回收系统时,疏水阀的出口管道直接就近排放:当有凝结水回收系统时,疏水阀的出口管道一般汇集接入凝结水回收总管,且应从凝结水回收总管上方斜459接入,疏水阀后一般需加止回阀,其作用是防止凝结水倒流。若某点需多个疏水阀同时工作,不得串联使用,应并联使用。相近的疏水点可将疏水阀集中布置,共用凝结水回收管路

蒸汽疏水阀能够自动排除蒸汽管道中的蒸汽凝结水和不凝结气体,并且不会漏出蒸汽其可分为热动力型疏水阀、热静力型疏水阀和机械型疏水阀选用疏水阀时,要求能及时排除凝结水,自动排除空气,并减少蒸汽的泄漏:可承受的工作压力范围大,即使压力发生变化也不影响疏水,基本不受背压影响:安装方便、维护容易、不必调整:外形小、重量小、价格也不贵:疏水阀若安装在户外,宜选用体内不积水且不易冻坏的疏水阀疏水阀的选用依据是凝结水量、蒸汽温度、蒸汽管道压力(最低压力)、凝结水回收系统的最高压力(考虑背压)。蒸汽管道疏水量可按下列公式估算:

式中:w为蒸汽管道的凝结水量(kg/h):0为蒸汽管道每单位长度的散热量(w/m):i1为操作压力下过热或饱和蒸汽的烩(kJ/kg):i2为操作压力下饱和水的烩(kJ/kg):n为管道长度(m)

针对厂区外管廊上的蒸汽管道,一般选用浮球式疏水

阀。浮球式疏水阀优点是排量大,排空气性能好,能连续(按比例动作)排除凝结水:缺点是抗水击能力差,疏水阀内蒸汽有热损失,排除凝结水时有蒸汽卷入。蒸汽主管的疏水阀选用倍率应为3,即疏水阀的额定排水量等于凝结水产生量的3倍

4结语

厂区外管廊上的蒸汽管道一般都为整个工厂的蒸汽主管,管径大,输送距离长,因此在设计时需谨慎细心,特别是一定要充分考虑管道的柔性。在设计阶段要考虑到蒸汽系统启动和运行时可能会出现的工况,避免出现蒸汽管道脱离管廊或严重变形等现象:在保证安全的前提下,结合经济预算等因素,选择适用的管道材质,计算蒸汽管道的管径,设置适当的支架形式:在做蒸汽管道疏水设计时,找准疏水点,选取恰当的疏水阀