蒸汽管道設計與探討

談正洪

（常州化工設計院有限公司，江蘇 常州 213000）

1 設計參數的確定

在設計中，僅按工藝使用的要求來考慮蒸汽管道的設計溫度和壓力是不夠的，某些外圍因素如離熱源如熱電廠的遠近，蒸汽干管晝夜負荷變化帶來的溫度、壓力的變化往往直接影響設計參數的確定。因此，蒸汽管道的設計溫度、壓力參數應根據管道系統在操作中可能遇到的最苛刻的壓力和溫度組合工況來確定，并保有一定的安全余量，且不小于管路系統安全泄放裝置的設定泄放壓力。

2 壓力管道等級的劃分

壓力管道是指最高工作壓力大于或等于0.1 MPa（表壓）的氣體、液化氣體、蒸汽介質或可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、最高工作溫度高于或等于標準沸點的液體，且公稱直徑大于或等于50 mm的管道。公稱直徑小于150 mm，且其最高工作壓力小于1.6 MPa（表壓）的輸送無毒、不可燃、無腐蝕性的氣體的管道和設備本體所屬管道除外。

壓力管道蒸汽的類別和等級應根據管道使用性質及設計溫度和壓力來確定：其中類別劃分為市政熱力管道GB2類和工業管道GCX類（X為數字）。GC類壓力管道級別劃分應根據設計溫度和設計壓力劃分為GC1、GC2和GC3級。

蒸汽管道壓力管道等級的劃分規范了設計中管件、管材的選擇和檢驗、檢測、探傷比例的確定。

3 蒸汽管道管件的選擇

3.1 管材

管材的選擇應根據蒸汽管道的設計溫度和設計壓力確定，蒸汽管道一般選用輸送流體用無縫鋼管（GB/T 8163-2018）或中低壓鍋爐用無縫鋼管（GB3087-2008），在設計參數較高或有其他特殊要求時，也可采用高壓鍋爐無縫鋼管（GB5310-2017）或其他低合金鋼（如高溫工況下選用鉻鉬鋼），長距離大口徑輸送，且設計溫度壓力參數不高的場合，為降低建設成本或采購困難時，可選用螺旋焊接鋼管（GB/T9711-2017）等。

3.2 閥門

蒸汽管道用手動切斷閥一般選用截止閥或閘閥，也可以選用高溫球閥。自動閥或調節閥應符合電氣控制要求，其執行機構一般由電氣專業選型并應符合閥門使用場合的要求；在需要調節壓力的場合，可以采用成套減壓裝置或手動、自動減壓閥組，減壓閥可根據使用控制要求采用手動機械式或自力式；安全閥的選用應采用全啟式安全閥并符合泄放量的要求，應根據使用場合計算確定安全閥的口徑。疏水閥在蒸汽管道系統中起到鎖汽、排除凝水和不凝性氣體，并起到防止管道水擊，保障管道安全運行的作用；所以，疏水閥應根據不同場合選用不同形式的疏水器，在疏水量不大的情況下可選用熱動力型或圓盤式疏水閥，在疏水要求較高的場合宜選用機械浮球或吊桶式疏水閥，并且疏水閥的疏水能力必須考慮安全放大系數。閥門的公稱壓力等級和允許使用溫度應符合設計參數的要求。閥門在安裝前，應根據不同的管道等級按比例進行殼體壓力試驗和密閉試驗。

3.3 管道補償

由于蒸汽管道在實際使用運行過程中溫度較高，有別于常溫管道，必須考慮安裝狀態和運行狀態之間溫差引起的熱膨脹，根據不同材料的線性膨脹系數和彈性模量，充分考慮管道的柔性設計是保證蒸汽管道安全運行的前提條件。如果蒸汽管道設計中未考慮熱膨脹，造成柔性不足，將引起管道熱應力（二次應力）過大，固定支架處推力過大以及與設備管口連接處管口載荷過大的問題，從而影響管道系統和連接設備的安全運行。在蒸汽管道柔性設計中，應盡量采用自然補償，如采用U型補償器或增設彎頭改變管道走向等方式；當安裝敷設空間限制不能采用改變管道敷設方向或增加彎頭時，可采用其他補償器如套筒補償器或軸向型波紋補償器等，但套筒補償器需更換填料，維護量太大，且存在泄漏風險，軸向型波紋補償器安裝在蒸汽管路上雖然外形美觀，維護量小，但其內壓產生的盲板推力較大，造成土建（固定支架）工程造價增高。在市政長距離輸送蒸汽管道上，采用旋轉型補償器是首先考慮的技術方案，其有補償量大且安全可靠的特點。所以，只有在管道施工空間受限的情況下才采用各類補償器。在條件允許的情況下應采用自然補償，自然補償有推力小、維護量小、使用安全可靠的特點，其缺點是占用空間較大。另外，由于各類補償器均存在設計使用循環使用次數的問題，埋地蒸汽管道應盡量采用自然補償。

4 焊縫檢查要求

蒸汽管道焊縫質量檢驗是保障蒸汽管道施工質量的重要技術手段。所以，在設計中應明確蒸汽管道焊縫檢查要求，根據不同等級的蒸汽管道確定不同等級的焊縫檢查要求。一般蒸汽管道對接焊縫需進行目視檢查、射線檢查或超聲檢測，特別對固定焊口，需增加檢測比例，某些重要的角焊縫或支管開口焊接處，需進行磁粉或滲透檢測，各等級焊縫檢查應符合相關國家標準、設計規范的要求。需要特別注意的是，不同類別的蒸汽壓力管道適用的檢驗標準是不同的，如GB2級市政熱力蒸汽管道采用《無損檢測 金屬管道熔化焊環向對接接頭射線照相檢測方法》（GB/T12605-2008），而GC類工業蒸汽管道采用《承壓設備無損檢測》（NB/T 47013-2015），且檢測比例和合格標準也是不相同的，需要根據不同類別、級別的蒸汽管道所對應適用的設計標準、規范來確定。

5 蒸汽管道的試壓

蒸汽管道一般采用水壓試驗，在水壓試驗前，應將不參與管道系統試壓的設備、管件（如安全閥）與管道系統分離，水壓試驗壓力為1.5倍設計壓力乘以溫度修正系數，試驗升壓應緩慢，確保管系平緩應變，達到試驗壓力后，穩壓10 min，無滲漏，無壓降后再將試驗壓力降至設計壓力，停壓30 min，以壓力不降無泄漏為合格。在某些有特殊要求或限制的場合，也可采用氣壓試驗、初次運行壓力試驗等替代壓力試驗，但應符合相關設計規范的要求。壓力試驗中需要特別注意的是必須設置可靠、準確地安全泄放裝置，以防止不可控情形下的試驗壓力失控，保障壓力試驗的安全進行。

6 管道的防腐保溫

蒸汽管道防腐前必須徹底除銹，除銹可采用人工或機械的方式，使管道露出本色金屬光澤。除可免除防腐的蒸汽管道如市政熱力蒸汽管道外，蒸汽管道應至少涂刷兩邊防腐底漆，刷漆表面應干燥，禁止一面刷漆一面除銹，油漆應采用符合設計溫度的高溫防銹漆，以防止因管道表面溫度高造成刷漆脫落。

蒸汽管道的保溫設計施工直接影響管道運行的經濟性，良好的保溫結構可以減少蒸汽管道運行過程中的熱損失，提高蒸汽系統的運行經濟性。確定蒸汽管道保溫厚度的首要條件的蒸汽管道的工作溫度，蒸汽管道保溫厚度一般采用經濟厚度，需要注意的是當管道運行方式（季節/全年）和運行環境（室內/室外）不同時，相同運行參數蒸汽管道保溫厚度的選擇是不同的。當設計保溫厚度較厚時，可以采用多層包覆并增加熱輻射反射層的方式，可以有效提高保溫性能，管道保溫應在管道強度試驗合格后進行，保溫材料的選擇應遵循下列原則：保溫材料宜選用閉孔型且氧指數應符合標準要求，材料的導熱系數低，具有較高的耐熱性，不致由于溫度急劇變化而喪失其原來的性能，材料密度小并具有一定的孔隙率。離心玻璃棉制品、硅酸鋁纖維制品保溫材料導熱系數小，容重小，耐高溫性能強，并具備一定機械強度的保溫材料，在設計中應優先采用。

7 管道的坡度、焊接接口、支吊架的質量控制

蒸汽管道設計施工應采用有坡度的敷設方式，且采用順坡即坡向與蒸汽流動方向一致，以利冷凝水的排除，減少發生水錘的可能，保障管道的安全運行。有許多施工人員對坡度不夠重視，認為過熱蒸汽在輸送過程中不易產生冷凝水，安裝中出現無坡度或干管反坡敷設，但考慮到蒸汽管道因檢修或其他原因一旦停止輸送蒸汽，冷凝水局部滯留，再次啟動運行時，將可能產生水擊，導致管道疲勞，減少壽命，引起安全隱患，故過熱蒸汽管道也應采用有坡度的敷設方式。

蒸汽管道接口采用焊接式，要求焊縫尺寸符合標準，無焊瘤、咬肉、裂紋、孤坑、夾渣、氣孔等現象。一般壁厚大于等于3 mm的管道對接焊縫必須先按標準要求打坡口。

管道的支、吊、托架在熱力管道系統中起著非常重要的作用，合理設置支吊架，可以減小管道的一次應力，限制管道的位移量。管道的支架有固定支架、活動支架和導向支架，尤其是設計溫度參數較高，公稱直徑規格較大的熱力管道，其軸向推力較大，固定支架十分關鍵，不能與活動支架混淆，否則補償器不能起到設計要求的作用甚至不起作用，后果嚴重。如果漏設固定支架，會造成蒸汽管道局部位移過大引起與設備連接支管位移過大，從而當支管柔性不夠時導致支管與設備連接接口載荷過大，且運行中造成位移過大處滑動支架脫落，甚至會因施工過程漏設固定支架，管道盲板力或軸向推力集中于固定支架附近的管道拐彎處，引起二次應力過大，造成拐彎處管道斷裂。管道托架及管托制作，必須結合管道保溫厚度設計其管托高度，避免高度過小造成管道移動時保溫材料的破壞。施工時，確保活動支架管托與支架頂保持平滑，減小摩擦力，必要時可采用聚四氟乙烯/鏡面不銹鋼摩擦付的方式以減小摩擦系數，從而減小固定支架處軸向推力。

8 應力分析

蒸汽管道設計應根據初步方案布置圖建立力學模型，通過軟件（CAESARⅡ）采用有限元的應力分析計算方法，分析管系、支架的位移和受力情況，應力分析計算機構主要應控制管系的一次應力、二次應力、位移及與設備連接管口處載荷、固定支架處的軸向推力均在規范要求的合理的范圍內，對于有較嚴格的控制泄漏要求場合，還應建立法蘭密封件模型，分析計算法蘭密封件的載荷情況，使其載荷在允許使用范圍內。如果不滿足以上條件，可以采用壓力等級較高的連接件，并通過結合操作使用要求現場情況調整管道敷設走向或增設支吊架、補償器的方式，最終設計出最佳的管道布置方案。

9 結語

蒸汽管道設計的合理性，直接影響工程質量的提高，最終體現在施工成本、運行效果和使用壽命上。所以必須本著“用戶至上”的根本原則，設計要從現場實際出發，確保蒸汽管道設計施工質量，做到安全、有效、節能，從而實現最大經濟效益。