DN500過江蒸汽管道熱位移柔性隱患整治措施分析

何秋宏 汪四新 牟曦輝 陳 力 黃文靜

（樂山市特種設備監督檢驗所 樂山 614000）

蒸汽主管直徑大、溫度高，爆炸當量大，涉及安全運行重大問題[1-2]。蒸汽管道的直徑、溫度、壁厚、熱應力及支吊架等是管道系統安全的影響因素。過江蒸汽管道是布置限制的特例，若柔性補償不當，會在管道內產生應力作用，例如管道連接處，重則導致破裂。筆得結合實際檢驗過程中發現的一條存在安全隱患的DN500 過江蒸汽管道，從管道柔性的角度，分析造成隱患的原因及改進建議，以供同行參考。

1 管道基本情況

該管道是某廠外走廊供熱蒸汽主管之一，于2013年建造投運，提供有管道平面布置圖，無竣工資料，待檢狀態為停用，此次檢驗為首次檢驗，管道特性見表1。

表1 蒸汽管道特性表

本文主要針對該蒸汽管道過江段進行檢驗分析，管道隨橋敷設，如圖1所示，除橋頭兩端外，無彎頭、三通等管道元件，管道整體采用自然補償布置原則，過江段采用單向套筒式補償器補償。查閱管道歷史運行記錄發現，在1#補償器處曾發生過停機拉脫泄漏事故。過江管道總長約220 m，管道元件主要包含3 個單向套筒式補償器。

圖1 過江段蒸汽管道簡圖

2 理論分析

2.1 應力分析

壓力管道截面應力包括軸向、環向、徑向和剪切應力，管道應力校核時主要考慮管道在軸向應力，分為一次應力（Sustain Stress）和二次應力（Expansion Stress）[3]。

一次應力主要是由外作用持續性載荷（包含壓力、重力和其他載荷作用）產生的軸向應力，也包括偶然載荷產生的軸向應力，因此一次應力隨外載荷變化而變化，一次應力σI由重力和其他持續載荷、內壓載荷、偶然載荷三部分組成。

二次應力主要是由位移載荷作用產生的應力，不屬于持續性載荷，因此二次應力會伴隨著管道的伸縮位移增大而減小，甚至消失，二次應力σⅡ校核公式見式（1）：

式中：

f——管道位移應力范圍減小系數；

[σ]c，[σ]h——材料冷、熱態許用應力，MPa。

2.2 膨脹補償

DN500 過江蒸汽管道受二次應力影響更大，因此柔性補償注重考慮軸向補償，軸向膨脹E（mm）計算見式（2）：

式中：

L——支撐點之間的距離，mm；

ΔT——環境溫度與工作溫度之間的溫差，℃；

α——膨脹系數，1×10-6/℃。

無約束時過江段管道自由膨脹E為557.26 mm。由于受橋梁條件約束，無法通過改變管道走向的π 型彎進行自然補償，因此需要選用補償器且總補償量應大于自由膨脹E，補償量不足可能造成支吊架損壞、管道垮塌等。

本文案例管道采用的單向套筒補償器，其結構如圖2所示。套筒式膨脹節結構簡單，以外套筒與芯管的相對運動作為軸向補償，由填料函密封，受管道同心度影響較大，補償器與管道連接端口相對補償器軸線的垂直度偏差應不大于補償器公稱直徑的1%，且應不大于4 mm；同軸度偏差應不大于補償器公稱直徑的1%，且應不大于3 mm；此外對兩得的圓度偏差、外徑偏差均有相關要求[4]。若同心度偏差過大，可能導致失去補償功能、泄漏等。

3 定期檢驗情況

3.1 檢驗方案制訂

針對管道資料審查情況，制訂檢驗方案。宏觀檢查與檢測相結合，選取薄弱檢測部位，進行無損檢測，須滿足壓力管道相關規程檢驗檢測要求[5-6]。針對過江段管道歷史運行及事故情況，主要以管道柔性檢驗為主，包含因管道與橋梁結構間相互作用力，導致的橋梁結構變形甚至破壞；檢驗管道是否存在因熱脹、冷縮、端點附加位移、管道支撐設置不當等原因，造成管道連接處（單向套筒膨脹節）產生泄漏、管道推力或力矩過大引起的管道支吊架破壞等問題。

3.2 檢驗結果

在DN500 過江段蒸汽管道檢驗中，發現以下問題：

1）各補償器補償量不一致，冷態表現為回復長度不一致，由圖2 中X表示，1#、2#、3#安裝長度與回復長度見表2。

表2 各套筒補償器長度

2）缺少固定支撐，僅存在軸向導向支撐與滑動支撐。

3）管子撓度偏差較大，發現有支撐歪斜和導向支撐間隙耗盡。

3.3 結果分析

橋梁上的管道數量遠大于原設計，造成各部分沉降程度不同，導致管道各支撐的標高不一致，管子存在較大撓度，使得管道存在橫向位移，造成套筒補償器芯管偏心，此時填料周向受力不均，如圖3所示，蒸汽會從受力較小側泄漏[7]。

圖3 橫向位移導致芯管偏心

由于缺少橫向位移補償，管道軸向伸縮阻力增大乃至卡澀，相當于隨機生成了虛擬的固定支撐點，使得局部二次應力增加。通過CAESAR Ⅱ建模計算，此時管道規范許用二次應力為330.15 MPa，若該管存在10 m 無位移補償，在工作條件下管道應力高達441.40 MPa，會對管子造成嚴重破壞。

缺少固定支撐，會造成加在每個膨脹節上的位移大小是不確定的，同時，兩膨脹節之間的管道可以沿管道軸向隨意移動，最終位置取決于導向支架的摩擦力和各個膨脹節的剛度[8]，使得其實際補償能力遠低于標準值。1#補償器冷態回復位移更大，停機時其螺栓承受更大的動態軸向力，筆得認為這也是該處曾發生拉脫事故的重要原因。

綜上分析，該蒸汽管道的柔性補償不能保證均勻有效，存在管系損壞的隱患，應當整改。

4 改進建議

4.1 改進措施

1）選用補償量適當的直管壓力平衡型波紋管膨脹節，其結構如圖4所示，替換原有單向套筒補償器。在釋放管道二次應力的同時，補償一次應力帶來的橫向位移，并確保補償器兩端滑動支架滑動面光滑平整，無卡澀現象[9]。

圖4 直管壓力平衡型膨脹節

2）調整管道約束，增加固定支撐。調整支撐，保證各支撐標高一致；采取割管等方法，釋放管道冷態可能存在的局部應力；在每個補償器兩端增加固定支撐，保證其補償量均勻有效。

3）此類管道修理改造安裝時，可在膨脹節兩端采用臨時支撐焊接固定等方法。結合冷緊的方法，選擇合適的冷緊比，以提供一個與熱態膨脹方向相反的預緊力，可降低熱態膨脹位移。

4.2 仿真分析

通過CAESAR Ⅱ軟件建模，如圖1所示，以B 區至A 區為正方向。操作態工況僅考慮了重力、內壓力和溫度影響，管道支撐摩擦因子取0.1。選用3 個波紋管補償器，最大補償量均取450 mm，軸向剛度取1 300 N/cm，橫向剛度暫不考慮取無窮，建立增加固定支撐前、后管道模型，如圖5所示，圖中紅圈標記為補償器和固定支撐位置。

圖5 改進對比建模圖

仿真模型中管道均能有效伸縮，所以二次應力近似為零，故以管道位移量作為仿真結果分析量，對比增加固定支撐前后，在二次應力工況下，各補償器補償量見表3。

表3 波紋管補償器補償量

過江管道軸向位移如圖6所示，增加固定支撐后，減小了管道整體及橋梁兩端伸縮長度，各補償器能均勻補償，降低了摩擦阻力帶來的補償隨機性。此外，波紋管補償器能夠補償橫向位移，使各補償器能充分發揮柔性補償功能，能有效化解前文所述的柔性隱患問題。

圖6 波紋管膨脹節增加固定支撐位移對比圖

5 結束語

以本文案例過江蒸汽管道為代表的大直徑蒸汽主管，無論采用自然補償還是膨脹節補償，其熱位移柔性問題都至關重要。膨脹節的選用和支吊架的布置原則，應該保證管道的有效熱位移，使管子熱應力得以充分釋放，管系具有足夠柔性，可有效降低泄漏、拉脫等風險隱患。管系柔性的補償元件還有很多，例如彈簧支吊架。定期檢驗中，應根據不同補償元件在各種場景的工作原理，制定相關的檢驗方案。檢驗只是設備使用中短暫的一個環節，更需要使用單位做好日常監管維護與年度檢查，尤其要做好梯級開、停機及現場風險排查，保障蒸汽管道的安全可靠運行。