玻璃工厂蒸汽管道的设计研究

施张峰

(中国建材国际工程集团有限公司，上海 200063)

改革开放后，我国经济逐年稳定增长，特别进入21世纪后，人们对于工厂的节能环保、舒适性以及美观性有着更高的要求。玻璃工厂有着稳定的蒸汽来源。若充分利用这部分蒸汽，可以减少电能以及其他能源的使用，对于节能环保有着重要的意义。在玻璃工厂里，蒸汽可用于原料混合机的加热、重油的伴热以及均化库的采暖等用途。

1 蒸汽管网的走向和敷设方式

蒸汽管网的厂区走向应该走在设计的最前沿，在确定厂区站房的方位以及站内设备的摆放时，应充分考虑未来管网的走向，防止出现管线绕路的现象，尽量减少建造成本。管线的走向应按照经济型和安全性两个基本原则。经济型即管道的走向力求短直，考虑管线时应全局考虑厂区的各个管道的走向，统筹兼顾，力求管路短且直，尽可能减少沿程压力损失；安全性即与可燃有毒管道共架时，查看相关规范与其保持足够的管距。除此之外，管网的走向还需考虑整体厂区的美观性，地上管架尽量少走主干道两边，尽量少穿主道路，能沿站房内墙敷设的尽量沿站房内墙，特别是现在玻璃工厂为了节能和美观，会有大面积的玻璃幕墙。

厂区蒸汽管网的敷设方式主要有架空敷设、埋地敷设以及管沟敷设。鉴于玻璃工厂地下可埋管空间少，地下管网错综复杂且厂区会有燃料油、氢气、氧气等一些可燃或助燃介质的架空管道，一般情况下蒸汽管道采取和压缩空气、氢气、氮气等管道共架的敷设方式。采用这种敷设方式可节约占地面积，也可减少建设成本。如果在去蒸汽用户点的走向上，没有与其共架的管架，在蒸汽管道本身管径较小，数量较少的情况下，亦可采用埋地敷设或者管沟敷设。

2 蒸汽管网的支架跨距

蒸汽管网的支架间距取决于管架上跨距最小的管道的跨距，管道支吊架的跨距取决于管材的强度、管子截面积、外荷载大小、管道敷设的坡度以及管道允许的最大扰度。管道的最大跨距需同时满足管道强度和刚度两个条件，强度条件应满足管道自重弯曲应力不超过设计温度下材料许用应力的一半，刚度条件一般满足管道自重产生的弯曲扰度不超过15 mm。

按强度条件来确定管道支吊架的跨距，对于均布荷载的的水平管道，最大允许的跨距可按式(1)[1]计算

(1)

式中,LMAX为管道支吊架最大允许跨距，m；q为管道单位长度计算荷载，N/m,包含管道材料介质、保温层以及其他附加材料的荷载；w为管道截面系数，cm3；φ为管道横向焊接系数；[σ]t为钢管热态许用应力，MPa。

按刚度条件来确定管道支吊架的跨距时，按管道自重产生的弯曲扰度不应超过跨距的0.005。对于均布荷载的水平管道，最大允许的跨距可按式(2)[1]计算

(2)

式中，Et为在计算温度下的管道钢材弹性模量，MPa；I为管道截面二次矩，cm4；i0为管道放水坡度，i0≥0.002。

对于不同蒸汽管道按强度和刚度分别计算其跨距，取两者较小值为该管道的允许跨距。厂区管网中共架敷设的管道中有时候跨距相差较大，小管道影响了管架的整体跨距，导致管架布置密集，增加了成本也影响了美观。这种情况下一般采用局部增大管道管径或者采用加强板来增加截面系数，以此来达到增大跨距的目的。

现在玻璃工厂对于美观性有着较高的要求，因此在管网的设计中尽可能多的采用桁架的形式，减少落地支腿的数量。落地支腿除了要避开地下管网，还需要考虑不影响周边站房的美观，尽量避开在窗户前立支腿。

3 蒸汽管网的固定支架

虽然玻璃工厂的蒸汽管网是165 ℃、0.6 MPa的饱和蒸汽，温度和压力相比于其他工厂都较低，但仍存在着热胀冷缩的现象。为了防止管道位移过大，一般需要在合适的位置上设置固定支架。固定支架的设置有两个基本原则：一是管道的热伸长量不能超过所设补偿器允许的补偿量，二是管道膨胀所带来的推力不能超过支架所能承受允许的推力[2]。

管道的伸长量按式(3)[1]计算

ΔL=Lα(t1-t2)

(3)

式中，ΔL为管道伸长量，cm；L为计算管长，m；α为管道的线膨胀系数，cm/(m·℃)；t1为管道内介质温度，℃；t2为管道设计安装温度，℃，一般取20 ℃。

固定支架是用来承受管道热伸长时产生的推力，正常情况下固定支架一般设计的比活动支架坚固。因此，固定支架的间距会影响到整个管网的经济性。

固定支架的垂直荷载和活动支架的荷载一样，包括管道本体、管道附件(法兰、阀门等)、保温结构、管道内介质的荷载以及考虑到管道水压试验时的水重，还有一些风雪、灰尘等。而沿着管道轴线方向的水平荷载是固定支架考虑的重点，在玻璃工厂中，通常采用刚性支架，固定支架除了活动支架也需要考虑的管道与管架之间的摩擦力外，还需要考虑补偿器的反弹力以及不平衡内压力。

补偿器的反弹力包括π型补偿器和自然补偿的反弹力，π型补偿器的反弹力相比于自然补偿反弹力大不少，因此在较长直线段设置补偿器时，通常补偿器之间的距离以及固定支架之间的距离最好相等或近似。以此来达到减少补偿器反弹力的作用，从而减少支架大小，减少建设成本。

管道内的不平衡压力形成条件较为苛刻，在玻璃工厂里较为少见。补偿器设置合理的话，补偿器的反弹力大都可以相互抵消，管道内的不平衡压力在玻璃工厂的蒸汽管网里几乎不会存在。固定支架的推力大于活动支架的主要原因还是在摩擦力上，即中间活动支架通过管道传给固定支架的反作用力，对于刚性支架时即为固定支架至补偿器之间各活动支架的摩擦力之和。管架上管道数量较少时，可按摩擦系数乘以垂直荷载，再乘以1.5的放大系数即可得到单个活动支架的摩擦力，但当管架上除了蒸汽管道，还有大量的其他热管如热水管、凝结水管、油管以及其他常温管道如压缩空气管、氮气管、氢气管等时，管道之间会发生牵制作用，从而减少管架整体的摩擦力。牵制作用的大小和管道的布置方式有关[3]：1)管架上的管道数量越多，牵制作用越大。2)管架上的常温管道比例越大，牵制作用越大。3)管架上介质温度高的和介质温度低的，管道重量大的和轻的排列越对称，牵制作用越大。4)支架层数越多，牵制作用越大。5)温度较高的管道设在一侧时，牵制作用较小。6)管道同时启动时，牵制作用较小。

管道设计中，各个介质的管道布置尽可能的增大牵制效果，从而减少支架的摩擦力。不同情况下的牵制系数可查阅相关的动力手册。蒸汽管道一般设置在管架的最下层，利于管架整体的稳定以及疏水管道的设置。

4 蒸汽管网的热补偿

在考虑蒸汽管网的固定支架时，蒸汽管网的热补偿也会相应的考虑。蒸汽管网设计中要重视固定支架和补偿器的设置，蒸汽管道与其他常温管道的区别就是管道存在热胀冷缩引起的问题。而固定支架和补偿器就是为了蒸汽管道在使用状态下及热状态下的稳定和安全，减少管道热胀冷缩引起的应力而设置的。玻璃工厂蒸汽源头到各个用气点距离较短，因此热补偿的设置通常采用自然补偿。自然补偿是利用管道系统中出现的弯头、垂直和水平等空间走向的形状，引起管道本身弹性弯曲和扭转变形，以达到热胀和冷缩的要求[3]。在自然补偿无法满足时，会采取π型补偿器。自然补偿有L型直角弯补偿、Z型折角弯补偿以及空间立体弯补偿这三类主要形式。自然补偿通常长臂不超过25 m，大管径可适当放宽，但不应超过30 m。自然补偿是否能满足管道热伸长量需要按公式进行验算，若验算不通过，则说明该固定支架设计不合理，需重新设计固定支架。

当自然补偿无法满足管道的热伸长量时，通常需要在固定支架中间设置π型补偿器。π型补偿器补偿能力需满足管道的热伸长量，π型补偿器的型号大小以及补偿能力可查阅相关手册。在π型补偿器的外伸臂约40倍公称直径下设置导向支架，限制管道的垂直于流向方向上的位移。另外π型补偿器在安装时需预拉伸，在玻璃厂蒸汽温度较低的情况下，通常是计算热伸长量的一半，预拉伸需在设计中注明。π型补偿器虽然有着结构简单、水平放置无需疏水、冷凝水回收率高等优点，但当蒸汽管道开始使用时，应注意避免管道的水击现象[4]。在满足以上条件下，还需要考虑π型补偿器的布置对管架整体的美观和协调。

5 结 语

文中所述只是蒸汽管道设计中的一部分，蒸汽管道的设计还需要考虑疏水、管架支托、荷载等一系列问题。由于玻璃工厂一个窑期内大部分生产不可暂停，因此生产用的蒸汽管网的稳定性尤为重要，任何一个小问题都有可能影响到玻璃生产线的正常运行。