高压蒸汽管道的在改造项目中的设计优化

高压蒸汽管道的在改造项目中的设计优化

朱媛媛

中石化上海工程有限公司上海200120

摘要：高压蒸汽管道由于温度高压力大，对于走向和补偿方式选择有诸多限制，在本文中将通过一个改造的具体案例来探讨高压蒸汽的方案确定及管道设计。

关键词：蒸汽；自然补偿；球形补偿器；改造

1概述

1.1项目背景

随着诸多大型化工项目的不断建设，对于蒸汽的需求不断增加。以某化工装置为例，历经二期、三期多个装置改扩建或新建，动力中心锅炉都未扩建，在乙烯装置、丙烯腈装置、动力中心波动期间，或大检修后开车期间，时常会出现蒸汽供应紧张，故需要进行改造升级，拟引进一根高压蒸汽管线解决此状况。

1.2拟引进高压蒸汽需满足的蒸汽用量需求：

1）EBSM装置界区内高压蒸汽管道改造需求量，流量初步确定为30-70T/H，供尾气压缩机透平、乙苯单元精馏塔再沸器使用，设计温度420OC，设计压力5MPaG。

2）四期PDH项目蒸汽需求。四期PDH项目建成后，EBSM及四期高压蒸汽的需求最大为200T/H。

2．改造难点一：如何确保新引入蒸汽安全合理的进入原有蒸气管网

2.1高压蒸汽管道从A节点管道接口接入，途径一条500米长6米宽的三层沿10号路管廊至100米长10米宽的3号路管廊，沿3号路管廊向南进入EBSM装置界区内，接至EBSM界区内DN300预留口。

2.2材料的安全性升级和流程优化

原有高压蒸汽温度420℃，压力5.0Mpa；使用的是20#CS,D1A等级。

考虑蒸汽管道运输时的热量损失，新增的管线的材料和温度压力很重要。

A节点至EBSM界区CS材质的蒸汽预留口的距离680M的温压降，始端极限温度430℃、始端压力5.0MPa、管道直径DN500、保温材料选用180mm厚度硅酸镁纤维毯、管道长度680米，进行了高压蒸汽管线的温降压降计算，结果如下：蒸汽流速7米/秒，累计温降10.9OC，累计压降0.091MPa。最终末端温度419.1OC，末端压力4.909MPa。

考虑到不同流量下的温压降，A节点事故状态下温度430℃超过CS能承受的极限温度，且供气端从供气点至A节点距离为六公里，为确保引入蒸汽的安全，新增管线材料根据温度压力选择D54A15的15CrMoG无缝钢管。D54A15等级的适用温度范围为-29℃至500℃。

事故状态下，蒸汽至EBSM界区预留口的极限温度为419.1℃，原蒸汽D1A等级CS适用的温度范围是-10℃至427℃。故原有蒸汽管网的材质满足设计要求，无需升级材料，与此同时，为确保安全，在A节点内并联安装0-100T/H的流量计和温度压力检测，以便根据不同时期的流量需求调整供气端的温度压力参数。并在蒸汽进入EBSM装置界区内安装手动切断阀组，以此来保证进入原蒸汽管网的安全和可行性。

3改造难点二：如何选择改造项目中最优最合适的蒸汽输送方式

3.1敷设方式

高压蒸汽管道的敷设方式一般有管廊或管墩等架空敷设方式或者采用钢套钢复合管埋地方式。采用钢套钢复合管的敷设方式时，因为膨胀节和支架以及疏水都设置在套管里，造价高，且出现故障时维修比较困难，所以本次改造不采用。

采用架空敷设时，原有三层6米宽管廊，考虑到原有管廊位置不能满足新增蒸汽管道位置要求，故优先考虑管廊加层。对于在原有管架上加层，管道的推力对于管架的影响和原有基础是否能承载至关重要。而说到推力，这与蒸汽管道的热补偿方式密切相关。蒸汽管道通常采用自然补偿和补偿器补偿两种方式。

3.2本次改造不同热补偿方式下的蒸汽方案对比

3.2.1自然补偿的管道设计方案

高温高压蒸汽管道上，自然补偿耐温耐压性能好,不受补偿器材质或填料的限制且无泄漏隐患,运行安全稳定,事故率低;另外,结构简单,施工方便。但是自然补偿相对于补偿器,补偿能力小,占地面积大,管道的推力大,对于支架的设置要求和敷设管架的要求高.

在优先考虑自然补偿的条件下，经计算，每隔25M需要设置一个“兀”形补偿，每个固定点的推力如下。A节点至B节点的管系自然补偿下管家固定点的推力,管架固定点承受最大的力如下：FX=93KN,FY=24KN,F=28KN

若选择此种补偿方式，原有管廊管架宽六米，基础远远无法满足此根蒸汽管道的推力要求，若考虑原有管架加层需要基础全部重新加固，造价非常巨大，且难以操作。若重新新建管架，则需要重新规划场地，对于改造十分艰难。

3.2.2采用球形补偿器的管道设计方案

1）球形补偿器的结构

球形补偿器主要由壳体、球体、密封圈、压紧法兰四部分组成，球形补偿器与管道的连接形式有焊接和法兰连接，一般国内采用法兰连接，国外采用焊接方式。采用球形补偿器可大大减少管道的长度、弯头和补偿器的数量，进而减小了蒸汽的温降和压降。对于球型补偿器补偿法，支座和导轨只需把运动导向补偿器。系统的设计和安装得到简化，并且更经济。管子和保温材料，减少管件用量和劳动力花费，并能节省原材料和劳动力。

2）球形补偿器的工作原理及计算

球型补偿器本身除了可沿轴线旋转任意角度外，还可以向任何方向折曲，折曲角度不大于30，通过角度变形来适应与它相连的管道热膨胀产生的膨胀量，从而达到补偿的目的。

E(膨胀量)=最近一个固定支架到球型补偿器安装位置的管线长度（A）*该管线冷态最低温度到热态最高温度的膨胀系数。

3）球形补偿器的对固定架的推力

使用球形补偿器，对固定架的推力可以减少很多。因为球形补偿器的变形为非刚性变形，管系变形后不会产生持续的应力，因此使管道对固定架的推力也不是持续的。而且弯曲角运动所需的作用力很小，因此球形补偿器对固定架的反作用力也小。

考虑在10路管架南侧新建单层管架与管墩作为蒸汽管道的支撑。因为途径五条马路，考虑到消防通道要求，管架高度设置为6米高。球形补偿器安装在立管上，固定点至于高度为0.5米的管墩上，一共设置三组这样在N10#管架南侧新增独立管架供蒸汽管道铺设，进入界区后安装切断阀且设置阀门操作平台，贸易用流量计设置于地面，后延10号路管架南侧一直走至N10-1023柱头后穿越10号路管架延10号路管架北侧一直走至3号路管架后预留4期改建用DN500甩头，并引出一根DN300的管道延3号路管架向南进入EBSM装置。原3号管廊管道余量富裕，且管廊基础总够承受自然补偿的推力。新建管墩基础与原有管架分离。

10号管廊采用球形补偿器，3号管廊采用自然补偿，一共采用三组球形补偿器，根据本工程的供热参数，并经过应力计算，对于固定管架的推力小于2t,这样大大减少了管道推力，不仅解决了改造遇到的难题，还减少了管材的用量和工程造价。

3.结语

很多装置经过多年的运转，又经过多次改造，改造项目比起新建项目受到场地等多方面的限制，本项目是在原有老管架的基础之上改造，新增蒸汽进入原有蒸汽系统。在选择输送方案时，本文综合压损，温降，造价和布置等综合考虑合理规划，最终选择了改造中最契合的方式，圆满的解决了改造过程中出现的问题。

参考文献

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[2]王慈林．球型补偿器在蒸汽管道改造中的的应用．甘肃科技,2016.15

[3]DEP-T-PD2321-2015，蒸汽和凝结水管道的配管设计规定

[4]姜锦程李玉国高压蒸汽管道设计施工若干问题探讨1004-8901（2016）04-0025-05