蒸汽管線吹掃應力計算分析

高 昊

(北京石油化工工程有限公司西安分公司,陜西 西安 710075)

管道吹掃主要是清除管道雜物、鐵銹、焊渣等[1]，其次也可以觀察在吹掃工況下，管道帶溫時管道及支吊架的工作、位移情況。蒸汽管道(尤其是高、中壓蒸汽管道)吹掃時，管線較長，吹掃采用的蒸汽溫度較高，管道吹掃時間較長，因為吹掃管線為臨時管線，吹掃方案由于種種原因，現場配管時間較為緊湊，吹掃管線的應力計算分析往往被忽略，配管柔性不夠，管架設置不合理，造成管道及管架破壞、臨時消音器跑偏，甚至是管道相連的汽輪機、鍋爐等一些關鍵設備管口載荷超標等問題，所以,蒸汽管道吹掃管道柔性分析計算和相應支架設置十分必要，本文重點闡述了蒸汽吹掃管線的應力分析計算工作。

1 蒸汽管道吹掃應力計算分析

1.1 吹掃前應力計算準備工作

設計專業進行自查，管道應力設計人員首先核查應力計算報告，保證其支架位置、型式與現場施工用管道專業管道軸測圖圖紙一致。

施工現場檢查中，蒸汽吹掃前按照管道軸測圖核查管道支架施工是否與設計文件相同，如施工有誤,則需施工單位及時整改后再進行吹掃。

配合施工單位，依據應力計算結果，統計軸向或徑向位移量較大，尤其是軸向一般為超過50mm的支架點，管架編號，做成支架位移信息表。由表中可以查出支架的位置、型式、位移趨勢及位移量，并要求施工單位將位移量較大的點用油漆畫線標示，這樣在蒸汽管線運行時可以方便觀察管線、支架運行趨勢。測量位移量，若運行趨勢及位移量與應力計算結果基本一致，則可驗證計算及施工的正確性，繼續進行吹掃工作；若不一致,出現不可控情況，則需及時檢查管線與管架施工是否正確、吹掃操作是否合理，可考慮暫時停止吹掃，檢查管架，尤其是限制性支架(軸向限位架、徑向導向架)是否失效，及時整改,待管架修復后才可繼續吹掃，以防事故發生。某項目吹掃前制定的管架信息見表1。

表1 高壓蒸汽管線管架信息表

1.2 吹掃工況應力計算

當吹掃管線連接設備時，必須先進行應力計算，校核設備管口受力，以防設備管口載荷超標，且吹掃管線配管的基本原則為盡量不改變原有管線的柔性，減少對原有管道的影響，保證其不產生塑性變形。其次,不破壞管道支架，尤其是彈簧支吊架，使其可以安全使用。一般吹掃方案的確定主要需要考慮管道柔性及支架設置問題。

以榆林煤化高壓蒸汽管線吹掃為例,來分析吹掃管線配管及支架設置問題。該項目高壓蒸汽管道吹掃時連接鍋爐過熱器的這臺設備，吹掃蒸汽參數如下：操作壓力為4.5MPa，溫度為450℃，臨時吹掃管道材質為碳鋼，管徑為325mm，壁厚為28mm，臨時電動閥質量為1.2t。在CAESARⅡ中搭建好的高壓蒸汽臨時管道吹掃模型見圖1。

圖1 高壓蒸汽臨時吹掃管道應力計算模型

圖中數字為模型中管架節點號，現場高壓蒸汽管道頂端為鍋爐過熱器管口，臨時吹掃管道分界為彎頭焊縫處。如圖所示，根據廠房空間布置吹掃管線，受限于空間及管位，吹掃管線走向比較單一，由廠房二層平臺降落至廠房外空曠處吹掃放空，雖然管道在二層平臺最近處接出，但由上至下立管高度為8m，立管段長度可以補償水平管較大的熱膨脹，使水平段管段的柔性變好。由此可以看出，當管道柔性較差的時候，現場配管在有條件的情況下，需要及時調整管道走向,從而增加管道柔性。

吹掃管道支架設置的一般工程做法是，在原有管線與臨時吹掃管線分界處最近的第一個支架點，圖中模型中節點號5010，支架型式設置為固定架，這樣可以與原有管線完全切分，防止臨時吹掃管線對原有管線造成的影響，但是該位置設置固定架后，經計算得出，在現有廠房空間下配管，固定架FX方向(管道軸向)推力為52 835N，該支架位置又在樓面處，附近無梁柱等較為夯實的基礎，現場施工受力要求較大的固定架,難度很大，費時費力，很難實現；且樓面上空間有限，無法通過改變走向來增加管道柔性，進而減小固定架受力。所以經考慮后，將此處原定的固定架改為滑動支撐架，由計算結果可以看出，滑動架承受管道軸向推力不到1t，滑動支架未限制角位移，三個方向都沒有產生力矩，這樣的臨時滑動支撐施工方便簡單，滿足工程需求。需要注意的是,該位置設置滑動支架，沒有限制管道熱膨脹位移，該點熱位移為97mm，推動上方原有管道，現場最近支架點(一個彈簧吊架)，軸向產生101mm熱位移，選用彈簧經測量,可知吊桿長度大于水平位移的15倍，即吊桿偏斜角度在4°以內[2]，滿足規范要求，其他較近的支架點熱位移都在允許范圍內，所以吹掃管線在該走向下，采用滑動支撐架切分原有管線與臨時吹掃管線是比較合適的。

吹掃工況下，原有管線與臨時吹掃分界處，模型中節點號為5100點，分別設置的固定架與滑動支架受力值見表2，其中負號表示方向。

臨時吹掃管線上選用電動閥質量為1.2t，其就近位置必須設置承重支架，又因為該水平管道較長，所以在承重架基礎上增加導向架，防止管道吹掃時徑向擺動失穩。然后設置的導向架也限制了垂直于該管段水平管道的熱位移，把吹掃管線對原有管線的影響降到最小。導向間隙無特殊要求的,一般按標準管架圖設置為2mm。

吹掃管線立管由廠房樓上至地面,沒有支架生根點，所以支撐該段立管的支架設置在立管上方水平管上，計算管道跨距后，管道一次應力[3]校核百分比最大點為47%，一般以小于50%為宜，在保證支架不脫空,即滿載的位置處設置滑動支撐架，增設導向架也能預防管道產生振動。立管下方水平管段上支架位置的選擇必須考慮立管向下的熱膨脹位移，在滿足管道跨距的前提下，避免管道下方支架距離立管太近，阻礙管道向下膨脹，而產生“憋力”情況。有些情況在無法采用軟件計算時，可大致估算管道膨脹量，當管道一端固定時，管道自由端膨脹量[4]:

ΔL=αLΔT

其中,α為管道材料從安裝溫度變化到操作溫度的平均線膨脹系數，mm/(mm·℃);L為管道長度，mm；ΔT為管道從安裝狀態(一般取為20℃)到操作狀態的溫度變化值，℃。

除特殊設置的固定架外，其余承重及導向架受力計算值見表3，各支架點受力值都調整在可控范圍內，現場施工無需特殊加固處理，很容易實現。

吹掃管線末端連接臨時消音器，消音器本體支架一般為螺栓把死的固定架，固定架承受管道重力、熱漲力；消音器重力及反推力，對管道防振也有一定的作用。本模型設置固定架時，計算得出固定架受力，最初的設計計算中，管道末端只有消音器位置設置有一個固定架，計算得出,該固定架MY(扭矩)為-101 014N·m，力矩很大，實現固定架施工很困難。由計算結果分析，產生較大力矩的主要原因是相連的垂直于該管段的水平管道熱膨脹位移量為23mm，末端管段設置為固定架時，管道無法自由膨脹，末端管道長度為8m，管道長度不足以吸收垂直管道的熱位移，所以初始方案為加長末端管道或設置“π”型彎增加柔性,以降低固定架力矩。但經現場施工人員反饋,該類型管道切割焊接有困難，另外設置“π”型彎后,管道還需增加多個支架，尤其在增設固定架時，施工更加費時繁瑣。所以,為了減小管道軸向位移，在不能改變管道走向的情況下，在末端管道設置一個導向架來限制垂直管道熱位移，減小垂直段管道熱膨脹推向固定架，從而降低固定架的受力值。導向架位置確定時，需考慮以下情況：若導向架距離彎頭太近,則導向架受力太大，施工難以實現；若太遠,則不能限制熱位移。經計算調整，在保證導向架受力強度足夠的情況下，在距離彎頭4.5m位置設置該導向架，導向間距為2mm。導向架設置前后消音器固定架(模型中為5120點)受力值見表4，從中可以看出，消音器固定架在增加導向架后的受力及力矩值明顯減小，導向架受力為-43 037N，現場施工選用較大的槽鋼(如C16)作為管道徑向擋板時,即可滿足要求。

本項目消音器本體支架為固定架，當吹掃管線較短、柔性較差時，在無法通過改變管道走向增加柔性的情況下，消音器本體支架可以根據管道熱膨脹方向設置為幾個方向的限位組合架，釋放熱位移，以減小該支架的受力，但需要在消音器支架點畫線,以隨時觀察位移狀態，管架盡量采用大型H型鋼保證消音器穩定，不產生振動，防止消音器發生被“吹跑”的重大事故。消音器本體限位架見圖2。

圖2 消音器本體限位架

最后,現場支架的位置及型式根據應力計算結果施工設置，支架盡量依靠廠房或者管廊有較大梁柱生根，若支架無這類生根條件時，可以設置斜撐增加支架強度，保證管道及支架在吹掃時的可靠和安全。臨時吹掃管線支架見圖3。

圖3 臨時吹掃管線支架

依照應力計算結果，施工人員按圖施工，吹掃10余天，依據畫線觀察，原有管道、支吊架、鍋爐過熱器設備、臨時吹掃管道及支架、消音器及固定架位移及載荷變化趨勢均在計算范圍內，未產生異常現象，高壓蒸汽吹掃工作較為順利。

其余管線吹掃(尤其是高溫蒸汽管線)與本次高壓蒸汽基本原則一致，應力計算需要考慮的問題、吹掃的重點及難點分為以下幾點：①吹掃管線是否連接設備管口吹掃工況；②原有管線與臨時吹掃管線分界處是否設置固定架；③消音器末端是否設置固定架；④吹掃管線限制性支架的設置。

2 吹掃工況注意事項

2.1 吹掃暖管

一般蒸汽管線敷設較遠，所以暖管時間也較長，吹掃前，必須按規范規定的時間緩慢暖管，溫度穩定后，檢查疏水是否通暢，及時排出凝結水，緩慢開啟、關閉閥門，防止水錘。某項目由于追求進度，暖管過快，輸水不暢，蒸汽管道產生水擊，導致該中壓蒸汽管道π型彎一側的限位架被推壞而致失效，輸水管線被掰彎，管道位移過大，管道末端支架位移超出正常計算值，管托被“推下”結構梁(見圖4)。

圖4 某中壓蒸汽管線暖管出現問題

2.2 彈簧定位裝置拔除

吹掃時，必須保證所有彈簧支吊架定位銷已拔除，防止彈簧在吹掃工況下失效，以致管道、管道相連設備及其他支吊架的破壞。

3 結語

蒸汽管線吹掃,尤其是高、中壓蒸汽管道，吹掃溫度高，危險性較大，吹掃前必須進行應力計算。本文以某項目高壓蒸汽一段管線吹掃為例,進行了詳細的應力計算分析，包括管線吹掃前的準備工作，結合現場環境及施工狀況進行配管，改善吹掃管線柔性，合理設置臨時支架，最后指出吹掃過程中需要注意的安全事項，用理論計算指導現場施工操作，保證了蒸汽管道吹掃工作安全完成，對今后的蒸汽管線吹掃方案的制定有一定的指導意義。