玻璃工廠蒸汽管道的設計研究

施張峰

(中國建材國際工程集團有限公司，上海 200063)

改革開放后，我國經濟逐年穩定增長，特別進入21世紀后，人們對于工廠的節能環保、舒適性以及美觀性有著更高的要求。玻璃工廠有著穩定的蒸汽來源。若充分利用這部分蒸汽，可以減少電能以及其他能源的使用，對于節能環保有著重要的意義。在玻璃工廠里，蒸汽可用于原料混合機的加熱、重油的伴熱以及均化庫的采暖等用途。

1 蒸汽管網的走向和敷設方式

蒸汽管網的廠區走向應該走在設計的最前沿，在確定廠區站房的方位以及站內設備的擺放時，應充分考慮未來管網的走向，防止出現管線繞路的現象，盡量減少建造成本。管線的走向應按照經濟型和安全性兩個基本原則。經濟型即管道的走向力求短直，考慮管線時應全局考慮廠區的各個管道的走向，統籌兼顧，力求管路短且直，盡可能減少沿程壓力損失；安全性即與可燃有毒管道共架時，查看相關規范與其保持足夠的管距。除此之外，管網的走向還需考慮整體廠區的美觀性，地上管架盡量少走主干道兩邊，盡量少穿主道路，能沿站房內墻敷設的盡量沿站房內墻，特別是現在玻璃工廠為了節能和美觀，會有大面積的玻璃幕墻。

廠區蒸汽管網的敷設方式主要有架空敷設、埋地敷設以及管溝敷設。鑒于玻璃工廠地下可埋管空間少，地下管網錯綜復雜且廠區會有燃料油、氫氣、氧氣等一些可燃或助燃介質的架空管道，一般情況下蒸汽管道采取和壓縮空氣、氫氣、氮氣等管道共架的敷設方式。采用這種敷設方式可節約占地面積，也可減少建設成本。如果在去蒸汽用戶點的走向上，沒有與其共架的管架，在蒸汽管道本身管徑較小，數量較少的情況下，亦可采用埋地敷設或者管溝敷設。

2 蒸汽管網的支架跨距

蒸汽管網的支架間距取決于管架上跨距最小的管道的跨距，管道支吊架的跨距取決于管材的強度、管子截面積、外荷載大小、管道敷設的坡度以及管道允許的最大擾度。管道的最大跨距需同時滿足管道強度和剛度兩個條件，強度條件應滿足管道自重彎曲應力不超過設計溫度下材料許用應力的一半，剛度條件一般滿足管道自重產生的彎曲擾度不超過15 mm。

按強度條件來確定管道支吊架的跨距，對于均布荷載的的水平管道，最大允許的跨距可按式(1)[1]計算

(1)

式中,LMAX為管道支吊架最大允許跨距，m；q為管道單位長度計算荷載，N/m,包含管道材料介質、保溫層以及其他附加材料的荷載；w為管道截面系數，cm3；φ為管道橫向焊接系數；[σ]t為鋼管熱態許用應力，MPa。

按剛度條件來確定管道支吊架的跨距時，按管道自重產生的彎曲擾度不應超過跨距的0.005。對于均布荷載的水平管道，最大允許的跨距可按式(2)[1]計算

(2)

式中，Et為在計算溫度下的管道鋼材彈性模量，MPa；I為管道截面二次矩，cm4；i0為管道放水坡度，i0≥0.002。

對于不同蒸汽管道按強度和剛度分別計算其跨距，取兩者較小值為該管道的允許跨距。廠區管網中共架敷設的管道中有時候跨距相差較大，小管道影響了管架的整體跨距，導致管架布置密集，增加了成本也影響了美觀。這種情況下一般采用局部增大管道管徑或者采用加強板來增加截面系數，以此來達到增大跨距的目的。

現在玻璃工廠對于美觀性有著較高的要求，因此在管網的設計中盡可能多的采用桁架的形式，減少落地支腿的數量。落地支腿除了要避開地下管網，還需要考慮不影響周邊站房的美觀，盡量避開在窗戶前立支腿。

3 蒸汽管網的固定支架

雖然玻璃工廠的蒸汽管網是165 ℃、0.6 MPa的飽和蒸汽，溫度和壓力相比于其他工廠都較低，但仍存在著熱脹冷縮的現象。為了防止管道位移過大，一般需要在合適的位置上設置固定支架。固定支架的設置有兩個基本原則：一是管道的熱伸長量不能超過所設補償器允許的補償量，二是管道膨脹所帶來的推力不能超過支架所能承受允許的推力[2]。

管道的伸長量按式(3)[1]計算

ΔL=Lα(t1-t2)

(3)

式中，ΔL為管道伸長量，cm；L為計算管長，m；α為管道的線膨脹系數，cm/(m·℃)；t1為管道內介質溫度，℃；t2為管道設計安裝溫度，℃，一般取20 ℃。

固定支架是用來承受管道熱伸長時產生的推力，正常情況下固定支架一般設計的比活動支架堅固。因此，固定支架的間距會影響到整個管網的經濟性。

固定支架的垂直荷載和活動支架的荷載一樣，包括管道本體、管道附件(法蘭、閥門等)、保溫結構、管道內介質的荷載以及考慮到管道水壓試驗時的水重，還有一些風雪、灰塵等。而沿著管道軸線方向的水平荷載是固定支架考慮的重點，在玻璃工廠中，通常采用剛性支架，固定支架除了活動支架也需要考慮的管道與管架之間的摩擦力外，還需要考慮補償器的反彈力以及不平衡內壓力。

補償器的反彈力包括π型補償器和自然補償的反彈力，π型補償器的反彈力相比于自然補償反彈力大不少，因此在較長直線段設置補償器時，通常補償器之間的距離以及固定支架之間的距離最好相等或近似。以此來達到減少補償器反彈力的作用，從而減少支架大小，減少建設成本。

管道內的不平衡壓力形成條件較為苛刻，在玻璃工廠里較為少見。補償器設置合理的話，補償器的反彈力大都可以相互抵消，管道內的不平衡壓力在玻璃工廠的蒸汽管網里幾乎不會存在。固定支架的推力大于活動支架的主要原因還是在摩擦力上，即中間活動支架通過管道傳給固定支架的反作用力，對于剛性支架時即為固定支架至補償器之間各活動支架的摩擦力之和。管架上管道數量較少時，可按摩擦系數乘以垂直荷載，再乘以1.5的放大系數即可得到單個活動支架的摩擦力，但當管架上除了蒸汽管道，還有大量的其他熱管如熱水管、凝結水管、油管以及其他常溫管道如壓縮空氣管、氮氣管、氫氣管等時，管道之間會發生牽制作用，從而減少管架整體的摩擦力。牽制作用的大小和管道的布置方式有關[3]：1)管架上的管道數量越多，牽制作用越大。2)管架上的常溫管道比例越大，牽制作用越大。3)管架上介質溫度高的和介質溫度低的，管道重量大的和輕的排列越對稱，牽制作用越大。4)支架層數越多，牽制作用越大。5)溫度較高的管道設在一側時，牽制作用較小。6)管道同時啟動時，牽制作用較小。

管道設計中，各個介質的管道布置盡可能的增大牽制效果，從而減少支架的摩擦力。不同情況下的牽制系數可查閱相關的動力手冊。蒸汽管道一般設置在管架的最下層，利于管架整體的穩定以及疏水管道的設置。

4 蒸汽管網的熱補償

在考慮蒸汽管網的固定支架時，蒸汽管網的熱補償也會相應的考慮。蒸汽管網設計中要重視固定支架和補償器的設置，蒸汽管道與其他常溫管道的區別就是管道存在熱脹冷縮引起的問題。而固定支架和補償器就是為了蒸汽管道在使用狀態下及熱狀態下的穩定和安全，減少管道熱脹冷縮引起的應力而設置的。玻璃工廠蒸汽源頭到各個用氣點距離較短，因此熱補償的設置通常采用自然補償。自然補償是利用管道系統中出現的彎頭、垂直和水平等空間走向的形狀，引起管道本身彈性彎曲和扭轉變形，以達到熱脹和冷縮的要求[3]。在自然補償無法滿足時，會采取π型補償器。自然補償有L型直角彎補償、Z型折角彎補償以及空間立體彎補償這三類主要形式。自然補償通常長臂不超過25 m，大管徑可適當放寬，但不應超過30 m。自然補償是否能滿足管道熱伸長量需要按公式進行驗算，若驗算不通過，則說明該固定支架設計不合理，需重新設計固定支架。

當自然補償無法滿足管道的熱伸長量時，通常需要在固定支架中間設置π型補償器。π型補償器補償能力需滿足管道的熱伸長量，π型補償器的型號大小以及補償能力可查閱相關手冊。在π型補償器的外伸臂約40倍公稱直徑下設置導向支架，限制管道的垂直于流向方向上的位移。另外π型補償器在安裝時需預拉伸，在玻璃廠蒸汽溫度較低的情況下，通常是計算熱伸長量的一半，預拉伸需在設計中注明。π型補償器雖然有著結構簡單、水平放置無需疏水、冷凝水回收率高等優點，但當蒸汽管道開始使用時，應注意避免管道的水擊現象[4]。在滿足以上條件下，還需要考慮π型補償器的布置對管架整體的美觀和協調。

5 結 語

文中所述只是蒸汽管道設計中的一部分，蒸汽管道的設計還需要考慮疏水、管架支托、荷載等一系列問題。由于玻璃工廠一個窯期內大部分生產不可暫停，因此生產用的蒸汽管網的穩定性尤為重要，任何一個小問題都有可能影響到玻璃生產線的正常運行。