高溫中壓鋼套鋼蒸汽管道應用與設計

黃旭東

(中機國際工程設計研究院有限責任公司華東分院,南京 210023)

為了響應國家節能環保政策,貫徹落實“集約發展、綠色發展”理念,化工園區企業將逐步關停燃煤鍋爐,由高效節能大型熱電廠實現區域集中供熱。園區企業整體用熱參數較高,需建設滿足用戶需求的高溫中壓長輸熱網。蒸汽管道長輸技術經過多年的發展已經日趨成熟,其中高溫中壓蒸汽管道長輸在技術上要求更高,鋼套鋼蒸汽管道在地埋、地下空間穿越及特殊地段使用上應注重安全,采取更為可靠方式。本文以設計參數510 ℃、5.83 MPa(g)的DN500蒸汽管道為例,結合實際應用,探討高溫中壓鋼套鋼蒸汽管道設計思路。

鋼套鋼蒸汽管道具有較好的耐外壓、防潮防水性能,具有常規架空保溫結構無法比擬的優勢,可用于蒸汽管道保護及特殊條件下降低對外界影響,主要敷設方式有直接地埋、管溝架空、涵洞架空、地面架空等幾種方式。1)直接地埋：最為常見,適用于具備埋設深度,周邊對溫度不敏感的一般地段;2)管溝架空：適用于埋深不滿足規范要求需對管道進行保護或需要控制管道對周圍熱影響區域,無人員通行要求;3)涵洞架空：適用于穿越高等級公路等重要地段,一般由相關產權部門提出要求;4)地面架空：適用于地下存在障礙,無法直接地埋敷設或設置支墩基礎地段,將鋼套鋼蒸汽管道布置于地面平板基礎上,由其承受管道重力及支座反力。

1 工藝計算

1.1 工作管及附件材料選用

考慮到管道工藝參數的特性,鋼套鋼蒸汽管道工作管的管材、管件按照電力行業標準選取。依據《火力發電廠汽水管道設計規范》(DL/T 5054—2016),選用管道、管件材質為12Cr1MoVG,鋼管制造標準為《高壓鍋爐用無縫鋼管》(GB/T 5310—2017),管件執行標準為《電站鋼制對焊管件》(DL/T 695—2014)。

1.2 工作管壁厚確定

工作管設計壓力和設計溫度下所需的直管理論最小壁厚按管子外徑確定公式計算[1]33,同時考慮到滿足管網長期(按30年)安全穩定運行要求下腐蝕、磨損和機械強度要求的附加厚度等因素,計算后管道選取規格D530×22。彎管加工完成后的最小壁厚按外徑確定公式計算[1]38,計算后彎管選取規格為D530×25,選用R=1.5DN～3DN熱壓無縫彎頭。

1.3 外套管選用及壁厚確定

考慮到使用性能及生產加工方便,鋼套鋼蒸汽管道外套管優先選用《石油天然氣工業管線輸送用鋼管》(GB/T 9711—2017)標準中的雙面埋弧螺旋焊接鋼管,材質L245。由于是帶空氣層的保溫結構,外套管的外徑與壁厚比值不大于100[2]21。

2 保溫設計

2.1 鋼套管外表面控制溫度

根據敷設方式不同,考慮到鋼套鋼外防腐層使用壽命、減小對周邊環境的熱影響及防燙傷等要求,以上幾種敷設方式套管外壁溫度控制要求如下：直接地埋控制套管外表面溫度不超過50 ℃[2]13。管溝架空及涵洞架空根據情況可適當放寬,將套管外表面溫度控制在60 ℃以下。地面架空需考慮防燙傷,控制套管外表面溫度在60 ℃以下[3]18。

2.2 主保溫材料參數

蒸汽管道保溫結構示意如圖1,主保溫材料由若干層二氧化硅氣凝膠毯及高溫玻璃棉復合而成,保溫層外側與工作管之間留有一定的空氣層,該保溫結構可有效降低外套管口徑,節省工程造價。

圖1 蒸汽管道保溫結構示意圖

保溫結構內層使用二氧化硅氣凝膠毯(以下簡稱“氣凝膠”),最高使用溫度650 ℃,燃燒性能為不燃A級,其熱導率擬合式如式(1)。

λa=2.114×10-7tm2-3.227×10-5tm+2.155×10-2

(1)

式中：λa為氣凝膠熱導率,W/(m·K) ;tm為保溫材料平均使用溫度,℃。

保溫結構外層使用高溫玻璃棉(以下簡稱“玻璃棉”),安全使用溫度450 ℃以下,燃燒性能為不燃A級,其熱導率擬合式如式(2)。

λg=7.652 29×10-10tm3+1.102 2×10-4tm+2.907 1×10-2

(2)

式中：λg為玻璃棉熱導率,W/(m·K)。

2.3 保溫厚度計算

按照控制外套管外表面溫度方法,分別計算不同敷設方式所需保溫層厚度。

(1)直接地埋

管道敷土深度按1.5 m計算,項目建設地點位于南京附近,土壤自然溫度取24.2 ℃[2]附錄A,大氣溫度取最熱月平均環境溫度28.1 ℃[3]附錄C,土壤的導熱系數λ取1.5 W/(m·K)[2]13-14,管道上方地表大氣換熱系數α取12 W/(m2·K)[2]16,鋼套鋼管道內干空氣層導熱系數按0～250 ℃溫度區間,查干空氣物性參數表后輸入軟件。工作管保溫材料結構層越薄,其外套管表面溫度越高,反之外套管表面溫度越低。氣凝膠、玻璃棉及空氣層組合而成的保溫方案滿足鋼套管外表面溫度不超過50 ℃、氣凝膠外層溫度不超過玻璃棉安全使用溫度0.8倍[2]13即360 ℃為可行性方案。滿足溫度條件且單位長度造價最低方案為最優方案,可行性方案經初步判斷可確定較優方案,對較優方案進行經濟比選可確定最優方案。經AFT Arrow軟件模擬計算,該敷設條件下不同保溫層厚度較優方案比選如表1。

表1 直接地埋敷設不同保溫層厚度較優方案比選

從保溫層厚度上可以看出方案1經濟性優于方案2,通過對外套管、外套管防腐、保溫材料用量進行經濟性比較,方案3比方案1單位長度造價增加約5.7%,最終確定方案1為最優方案。

(2)管溝架空

風速ω為0,環境溫度Ta取40 ℃[3]26,絕熱層外表面溫度取59 ℃,計算出外表面換熱系數as為2.1 W/(m2·K)[3]27,換熱形式主要為輻射換熱。

(3)涵洞架空

風速ω為0,最熱月平均環境溫度Ta取28.1 ℃[3]附錄C,絕熱層外表面溫度取59 ℃,計算出外表面換熱系數as為1.9 W/(m2·K)[3]27,換熱形式主要為輻射換熱。

(4)地面架空

室外風速ω取2.6 m/s,最熱月平均環境溫度Ta取28.1 ℃[3]附錄C,防燙傷計算外表面換熱系數as取8.141 W/(m2·K)[3]27,換熱形式為對流換熱及輻射換熱。

(5)不同敷設方式保溫效果比較

通過軟件模擬計算管溝架空、涵洞架空、地面架空保溫層厚度較優方案,并經經濟比選確定保溫層厚度最優方案。四種不同類型敷設方式保溫層厚度最優方案匯總見表2。

對照計算結果,環境溫度及表面換熱系數對計算結果影響較大,相同條件下,通過調整不同保溫材料厚度,在氣凝膠外層溫度接近于玻璃棉許用溫度0.8倍處可以獲得較為經濟的保溫結構配比。

3 熱補償

鋼套鋼蒸汽管道工作管常用熱補償方式有套管內安裝軸向波紋管補償器補償、利用管道柔性自然補償、連接旋轉補償器補償等。

波紋管補償器利用波紋管的伸縮變形實現熱補償,其核心是由多層不銹鋼薄板制作而成波紋管,該部件對溫度壓力很敏感,易在水擊效應下變形,具有爆裂風險,在高溫中壓蒸汽管道上使用對產品技術要求極高。考慮到安全性,該參數等級管道不建議采用波紋補償器補償。

自然補償方式為通過彎頭或彎管構造平面或空間π彎,利用管道自身的柔性進行熱補償,該補償方式適用范圍廣、技術成熟、安全可靠。

旋轉補償器補償為旋臂帶動旋筒轉動實現管道熱位移釋放的熱補償方式,該補償方式在長距離輸送熱網上應用較為廣泛。之前該技術在高溫中壓管道上的應用上不夠成熟,主要存在密封使用柔性石墨氧化燒蝕較快問題。近年來,隨著產品技術不斷發展,旋轉補償器在該參數條件下可長時間穩定工作,具有較高的安全性。

高溫中壓鋼套鋼蒸汽管道工作管熱補償方式推薦采用自然補償和旋轉補償器補償,具體布置應結合前后連接管道而定。

直接地埋敷設外套管由土壤進行承重及錨固,由于工作時外套管溫度不超過50 ℃,安裝條件下溫差產生的軸向熱應力遠低于材料的許用應力,采用冷安裝直埋敷設無需設置補償器。

管溝、涵洞及地面架空敷設外套管熱補償一般不需要設置補償器,可將外套管中間位置設置成固定支架,兩側加設一定的滑動支架及導向支架,實現兩端自由膨脹。

4 管道跨距

(1)工作管跨距

工作管架設于鋼制外套管內,其允許跨距按強度和剛度兩個條件進行計算,取其中較小值作為推薦最大跨距。設計參照支吊架間距計算公式[1]103-104,最大允許跨距計算中考慮了復合保溫材料荷重,超載系數按1.2,工作管直管段最大允許跨距計算結果見表3。

表3 工作管直管段最大允許跨距表 m

考慮到減小單個支架的受力,鋼套鋼管道內部支架布置時建議適當縮短該跨距,可按8 m控制。

(2)外套管跨距

架空敷設鋼套鋼蒸汽管道需對外套管跨距進行計算,外套管跨距需考慮工作管、復合保溫材料、工作管支架及自身荷重,運行溫度取60 ℃,超載系數按1.2。考慮控制管道撓度,設計參照支吊架間距計算公式[1]103-104,鋼套鋼外套管直管段最大允許跨距計算結果見表4。

表4 鋼套鋼外套管直管段最大允許跨距表 m

根據計算,管溝架空外套管可按17 m控制跨距,涵洞架空及地面架空可按13 m控制跨距。直接地埋敷設外套管由土壤進行承重及錨固,且熱應力水平較低,無需考慮管道跨距及設置管道支架。

5 管道支架

(1)工作管支架

高溫條件下,鋼套鋼蒸汽管道工作管推薦采用帶滾動軸承的導向支架及帶硬質隔熱塊的軸向限位支架。滾動軸承導向支架摩擦系數小、穩定性好,更有利于工作管在外套管內滑動。由于熱傳導效應,低溫管道使用的錐形桶焊接式固定支架用于高溫蒸汽管道會造成外套管溫度過高,導致防腐層失效。高溫鋼套鋼蒸汽管道支架工作管與外套管之間可采用軸向限位支架替代固定支架。帶滾動軸承的導向支架結構形式見圖2,帶硬質隔熱塊的軸向限位支架結構形式見圖3。

圖2 導向支架結構示意圖

圖3 軸向限位支架結構示意圖

(2)架空敷設外套管支架

架空管道支架由Q235B鋼板拼焊而成,D為1 016 mm及1 219 mm時,θ取120°,弧形鋼板弧長取θ+12°,底板長度A取700 mm、寬度C取200～300 mm。管道支架底部置于土建預埋鋼板上,上部弧形鋼板與管道焊接連接,根據約束條件不同,可設置成導向支架、滑動支架或固定支架,其構造示意如圖4。

圖4 架空敷設外套管支架構造示意圖

6 結語

(1)鋼套鋼蒸汽工作管管材、管件、跨距設計計算建議按電力行業規范。

(2)根據不同應用場景進行保溫結構設計,對于氣凝膠、玻璃棉及空氣層復合而成的三層保溫結構形式,在氣凝膠外側溫度接近于玻璃棉安全使用溫度的0.8倍處(合理使用上限溫度),可獲得較為經濟的保溫結構配比。

(3)工作管架設于鋼制外套管內,其熱補償方式可結合前后連接管道采用自然補償及旋轉補償器補償。

(4)鋼套鋼工作管支架推薦采用帶滾動軸承的導向支架及帶硬質隔熱塊的軸向限位支架,具有較好的滑動性能及隔熱性能。