高壓蒸汽管道改造工程配管應力分析

高 昊 北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075

某煤化改造項目高壓蒸汽管道走向由鍋爐房內鍋爐過熱器至外管廊。整個管系分為一期、二期兩套管道，一期管道為現場正常運行的管道，二期管道為在正在運行的一期管道上新建改造的管道。一、二期管道設計分工由一個固定支架(ANC)切分，一期管道設計由原設計方設計完成，改造方負責二期改造管道配管及應力計算。

1 改造項目需要完成的工作

(1)由鍋爐房去往管廊的高壓蒸汽管道，管道溫度高，熱態位移較大；固定架、限制性支架受力較大[1]，對管廊土建基礎結構強度穩定性要求較高，本次應力分析的目的之一是計算管道支吊架點受力，將計算結果提供給結構專業核算結構基礎受力，確保管架和結構基礎受力滿足要求。

(2)鍋爐房內管道連接鍋爐過熱器這個關鍵設備，管道熱膨脹產生的熱應力對鍋爐過熱器影響很大，配管難度大，管道走向經應力核算需要滿足鍋爐過熱器管口受力要求，保證鍋爐過熱器安全運行。

(3)改造工程在不能改變原有一期管道的走向及支吊架型式的條件下進行，二期管道與一期管道對接，需滿足原有一期管道以及新建二期管道的應力要求，保證切分一、二期管道分界點固定支架的安全穩定。此次應力分析主要內容即核算一期與二期管道之間固定架的受力，其中一期管道對固定架的作用力由原設計方提供，改造方計算二期管道對該固定架的作用力，最后計算一期二期管道對固定支架的作用力矢量和，得到固定架的綜合受力。

2 應力計算分析

本次應力計算采用國際通用軟件CAESARⅡ進行建模計算，根據管道軸測圖及相應溫壓參數搭建模型。管道特征主要參數：① 介質：高壓蒸汽；② 溫度：545℃；③ 壓力：10.3MPa；④ 管徑：323.8mm；⑤ 壁厚：21.44mm；⑥ 腐蝕裕量：1.5mm；⑦ 管道材料：A335P91(10Cr9Mo1VNbN)；⑧ 管道材料熱膨脹系數α=0.006747mm/mm；⑨ 管道保溫厚度：170mm；⑩ 保溫容重：200kg/m3。

在CAESARⅡ中搭建計算模型，模型中數字為節點號，見圖1。

圖1 二期管道應力計算模型

該項目中高壓蒸汽由鍋爐房主蒸汽管道進入管廊外管，把60點作為外管與鍋爐房內管道的分界點，采用軸向限位與管道徑向導向(四向)組合支架將鍋爐房內外管道切分，本模型中計算出該點的受力值并與另一個外管模型中同一點受力值做矢量和得到該點的綜合受力值。模型中3840點為鍋爐過熱器管口，根據鍋爐過熱器廠家提供這一點的附加位移，核算此點的受力。4100點為一、二期管道切分的固定架，本次應力分析的重點為計算二期管道對其作用力。根據需要核算的關鍵點，將模型分為三個部分來分析計算結果。

2.1 鍋爐廠房內管道與外管廊管道分界點組合架受力計算

首先是鍋爐房內與外管在管廊上對接的節點受力核算，模型見圖2；模型中對接點節點號見表1。

圖2 管廊管道應力計算部分模型

表1 操作工況下(熱態)管廊上各節點受力值 (N)

其中60點為邊界切分點，該點設置在能承受較大載荷的主梁上，且60點距離40點(彎頭處節點)管道有一定的長度，柔性足夠，可以補償與其垂直較長管道的熱膨脹位移[2]。應主要關注該點軸向推力，從表1中查得操作工況下二期管道對其軸向作用力計算值為FX=-19108N(負號為-X方向模型南向)，該點在外管模型中(另一單獨計算模型)計算結果為FX=52128N，兩個計算值求矢量和，得該固定架軸向合力為33020N，經過結構專業驗算滿足結構主梁受力要求，其它管廊上的支架點受力經過核算確認可以保證結構基礎安全可靠。

另外需要注意熱漲位移較大的點，應力計算熱態位移結果見表2。

表2 操作工況下(熱態)管廊上各節點的位移量(mm)

位移較大的支架點(30點、45點、3520點、3550點、3585點、3860點、3890點)考慮做加長管托，防止支架脫落失效。其它彎頭節點(35點、40點)軸向或者徑向位移較大，配管時防止碰撞附近管道。

2.2 鍋爐過熱器管口核算

鍋爐過熱器管口在頂端，見圖3。

圖3 鍋爐過熱器連接管道應力計算部分模型

該段管系熱膨脹趨勢向上，且位移量較大，所以可以設置支架點的位置位移都是向上的，最初的設計是位移向上的支架點都設為彈簧，但經過分析發現該走向管道柔性足夠，彈簧較多，剛性支架設置很少，并且很多彈簧點位移大，必須選用恒力彈簧支吊架。雖然鍋爐過熱器管口受力可以滿足要求，但是彈性支架過多，該段管系會產生振動或不穩定隱患[3]，彈簧支吊架生根條件苛刻，安裝難度較大，設計成本也相應增大。所以調整部分支架型式，在位移量較大的立管中間位置設置剛性支架和導向支架，這種支架型式將立管切分為兩段，管道下部位移向下，上部位移向上，避免了立管向上位移過大，這樣剛性、彈性支架配合使用既合理分配了位移量，又能使管系在運行狀況下保持穩定。圖中3690點、3750點設置為剛性支架，3718設置導向支架防止管道橫向偏移和振動，合理可行。

經過調整支架位置及支架型式，改進后該管系中的彈簧支吊架見表3。

表3 彈簧支吊架一覽表

從表3中數據看出，所選彈簧荷載變化率均小于25%，采用可變彈簧支吊架即可，無需選用恒力彈簧[4]，比較經濟，彈簧支吊架型式、高度符合現場安裝空間，所選彈簧合理可用。

鍋爐過熱器管口3840點受力值見表4。

表4 鍋爐過熱器管口的力和力矩

將表中計算數據提供給鍋爐過熱器廠家驗算，鍋爐過熱器管口受力值滿足要求，并且鍋爐房內熱力管道的支吊架設置型式、位置不僅滿足石化管道標準，也滿足動力管道標準，故該管道走向和支吊架型式、位置設置安全合理。

2.3 切分一期二期管道固定架受力核算

該固定架切分原有一期管道和新建改造的二期管道，所以其受力是一、二期管道共同作用的結果，固定架受力值是一、二期管道對其作用力的矢量和。因為不能改動原有一期管道走向，故只能調整二期管道來保證固定架受力滿足要求，原則是調整二期管道對固定架作用力到相對較小的值，這樣與一期管道的矢量和也就相應變小。

原配管形式下應力計算模型圖見圖4；原模型4100點固定架模擬計算值見表5。

圖4 原配管形式一二期管道固定架應力計算模型

表5 原配管模型4100點固定架受力值

由表5計算結果可以看出，原配管形式下，二期管道對固定架作用力FZ，即管道軸向推力為39834N，MX力矩為161047 N·m，MY力矩為-46059 N·m，力和力矩值都較大，這是因為管道溫度高，軸向位移較大，與之相連的垂直方向立管太短，吸收管道軸向熱膨脹位移能力較弱，該管道走向柔性不夠，所以對固定架的軸向推力比較大，相應的力矩也超標。需要改變管道走向增加管道柔性，并配合設置限制性支架適當約束管道熱位移，兩者綜合作用調整降低固定架受力。

根據廠房的空間調整管道走向，并適當改變支吊架位置及型式，得到最終管道模型，見圖5。

圖5 改進后管道應力計算模型

圖5中設置一個立體“π”形彎來增加管道柔性，在距離固定架較近立管上(4031點)設置軸向限位支架，防止管道較大的軸向位移推向固定架方向；水平管(4019點)設置徑向導向支架，減小管道徑向熱漲對固定架的推力。4515點上方連接管道為一期鍋爐過熱器管道，在其下方水平管道選擇合適位置設置一個限位支架，防止過大的位移傳遞給一期管道從而影響與其連接鍋爐過熱器管口受力。其它承重支架點根據其熱態位移和受力情況設置彈簧或者剛性支架，彈簧和剛性支架搭配使用，保證管系穩定，受力大小合理。改進后支架受力見表6。

表6 固定架和限制性支架的受力

由表6結果看出，二期管道對4100點固定架作用力比較小，將該值與一期管道對固定架作用力做矢量和，得到一、二期管道對固定架的作用力較小，滿足支吊架及土建結構受力要求，故改進后的管道走向和支吊架設置可行。

3 結語

本文對改造項目中鍋爐房至外管廊高壓蒸汽管道進行了配管設計和應力計算，滿足相應標準規范和項目設計要求；合理設置管道支吊架，彈簧與剛性支吊架配合使用保證整個管系可靠穩定；設置適當數量的限位支吊架限制管道熱漲位移，減小固定架的受力和力矩；調整管道走向增加管道柔性，優化配管設計，最終保證：

(1) 管廊上管道各支架點受力合理，管廊梁柱結構安全。

(2) 鍋爐過熱器管口受力滿足廠家要求。

(3) 二期管道對切分一、二期管道固定架作用力較小，一、二期管道對該固定架綜合作用力和力矩滿足要求。