過熱蒸汽爐出口高溫管道設計特點分析

劉兆成 許智

摘要：本文主要分析了過熱蒸汽爐出口高溫管道設計思路，重點介紹了出口高溫管道設計特點，它不僅可以確保出口高溫管道設計的科學性、合理性，而且還可以有效降低設備管口的受力情況。通過對過熱蒸汽爐出口高溫管道進行設計，以期為過熱蒸汽爐的安全運行提供保證，并實現經濟與社會效益的最大化。

關鍵詞：過熱蒸汽爐；出口高溫管道設計；特點

1.過熱蒸汽爐出口高溫管道設計思路

對于化工企業而言，過熱蒸汽爐出口高溫管道設計是否合理將會對化工廠的安全運行產生或多或少的影響。過熱蒸汽爐出口管道溫度一般可以達到880℃，此時就需要結合HG/T20519-2009中的相關規范和標準來對管道進行設計，并對管道應力進行詳細的計算和分析。

在出口高溫管道設計時，一般要求管道剛度較大，裝置運行時高溫蒸汽所產生的熱脹力將會導致設備管口位置出現比較大的推力，此時就需要對高溫管道的柔性給予充分考慮。在進行管道設計時，一般會通過改變管道走向、設置彈簧支吊架和使用補償器的方式來提高管道的柔性。在對管道走向進行設計時，可以通過U形或Π形來提高管道的柔性，在平面上盡可能避免管道直線連接，從而有效降低管道對設備管口所產生的推力。此外，為了降低投入成本，可以在確保管道柔性的同時，還需要避免管道過分柔軟，進而達到降低管道振動的目的。

在設計過熱蒸汽爐出口高溫管道過程中，要對彈性支吊架給予科學、合理的選擇，在對管道方向位移進行限定的同時，還需要對整個管系的力矩和力的分布進行調整和優化。在大管徑高溫管道設計過程中，為了降低壓力降，要盡量縮短管道路徑，此時要優選彈簧支吊架，在維持管線走向的同時，有效提高管道的補償能力，進而達到降低管道在特定方向力矩和推力的目的。實際上，彈簧支吊架并非越多越好，尤其是與轉動設備保持連接的管道支架，如果數量過多將會導致整個管系穩定性變差，甚至引起振動。

因此，在過熱蒸汽爐出口高溫管道模型構建過程中，要對彈簧支吊架的選擇給予優先考慮，通過改變支吊架的位置或形式來有效降低高溫管道對設備管口所產生的力矩和推力，對于無法滿足應力要求的管道，可以通過增加自然補償及改變管道走向的方式來改善設備管口受力情況。

2.過熱蒸汽爐出口高溫管道設計

2.1合理選用管道材料

過熱蒸汽爐出口至中間再熱器入口位置的溫度可以達到880℃，此時就需要對管道材料的選擇給予高度的重視，可以對美國Inco公司生產的耐腐蝕性能、耐高溫性能、固溶態高的奧氏體鎳-鐵-鉻合金給予優先考慮，其具有導熱系數低、熔點低等特點，而且線膨脹系數介于奧氏體碳素鋼和不銹鋼之間。

實際上，與Incoloy 800H相比，Incoloy 800HT具有更好的高溫性能，當工作溫度低于593℃時，Incoloy 800HT與Incoloy 800H具有相同的許用應力值，如果工作溫度大于593℃時，Incoloy 800HT具有更好的高溫抗蠕變性能和耐氧化性能，而且在長期高溫條件下，其穩定性更高，是過熱蒸汽爐出口高溫管道中比較理想的管道材料，且其屈服強度σa2≥170MPa，抗拉強度σb≥450MPa，延伸率σs≥30%。同時，還需要對Incoloy 800HT成品進行固溶化熱處理，以此來獲取該溫度下的最佳性能的晶粒度，此外還需要對焊縫開展100%射線檢驗。

2.2構建管系力學模型

該管道模型設計參數如下：設計溫度為880℃，設計壓力為0.21 MPaG，操作溫度為840℃，管道壁厚11mm，管道管徑為DN350mm，管道材質為Incoloy 800HT，保溫厚度為250mm，腐蝕裕量為1.5mm，保溫容重為200kg/m3。根據管道軸測圖，借助CAESAR Ⅱ軟件來對管道模型進行構建。

2.3優化后結果比較

由于過熱蒸汽爐出口高溫管道布置已經固定，不能以降低管道長度的方式來減小管口在Z方向和Y方向的推力，而且通過對模型中彈簧支吊架形式進行多次調整后也不能降低管口受力，此時就需要對管道走向進行調整，以此來有效提高管道柔性，進而達到降低設備管口推力的目的。調整后的模型如圖2，其可以使中間再熱器管口（節點510）出的Z方向和Y方向推力大大降低，同時X方向力矩也大大減少。與此同時，過熱爐蒸汽出口（節點600）位置的設備管口受力并未出現比較大的改變，但是Z方向和Y方向推力卻出現了比較明顯的下降，調整后的設備管口受力都滿足許用載荷要求，計算結果如表1所示。

3.過熱蒸汽爐出口高溫管道常見風險及應對策略

（1）過熱蒸汽爐出口蒸汽壓力超過11MPa時，如果是管網結鹽堵管導致的，則需要對其進行沖洗處理；如果是采油井井口壓力高導致的，則需要降低水量；（2）過熱段壓差超過2.05MPa時，則需要對其進行及時的沖洗；（3）摻混器壓力差超過0.3MPa時，則需要對其進行及時的沖洗；（4）過熱段出口蒸汽溫度超過500℃時，則需要對工況進行適當的調整，并降低火量；（5）汽水分離器液位低于400mm時，需要對輻射段出口干度進行檢查，如果超過80%，則需要降低火量，以確保干度維持在60-80%，反之則需要手動對液位調節閥開度進行調整，以確保液位維持在400-600mm；（6）汽水分離器液位超過600mm時，需要以手動的方式來對液位調節閥進行調節，使其開度從10%提升至60%，直至液位維持在400-600mm為止；（7）對于球形汽水分離器而言，要保證分離蒸汽干度超過98%，反之則需要對分離器進行化學清洗。

4.結束語

綜上所述，過熱蒸汽爐運行過程中，其出口溫度一般比較高，因此做好出口高溫管道設計工作尤為重要，此時需要對各種荷載和管道材質的影響因素給予綜合考慮，通過改變管道走向的方式可以有效降低設備管口推力和力矩，進而提高管道的使用性能。

參考文獻

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[2]張強.鍋爐過熱蒸汽溫度調節[J].企業文化（下旬刊），2016，1（7）：115-116.

（作者單位：南京蘇夏工程設計有限公司）