厂区外管廊上蒸汽管道的设计

孙炎彬

摘要：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，现结合实际项目的设计经验，浅谈厂区外管廊上蒸汽主管的选材、布置和支架设计，蒸汽支管的布置，蒸汽管道的疏水设计。

关键词：蒸汽主管;蒸汽支管;π形补偿器;固定支架;导向支架;承重支架;疏水阀

0    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10 MPa蒸汽为高压蒸汽，4 MPa蒸汽为中压蒸汽，1 MPa和3 MPa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ASTM 321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5 MPa，设计温度460 ℃;另2根是中压蒸汽管道，设计压力2 MPa，设计温度365 ℃;还有2根是低压蒸汽管道，设计压力1.2 MPa，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8 km，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10 m，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π形补偿器，当有多根管道都需加π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π形补偿器，两根DN600中压过热蒸汽管道的π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。π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π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。π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π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π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1～3 mm，特殊情况可根据应力分析结果调整间隙。在π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π形补偿器为32Dn～40Dn（Dn为蒸汽管道管径），具體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：