长输蒸汽管道补偿及支架设计
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摘要： 通过一个项目简要的论述了蒸汽管道详细设计，例举常用的补偿形式及补偿的计算，管道支架的设计。
关键词：蒸汽管道；管径计算，跨距计算，补偿计算；支架设计
中图分类号：S969文献标识码： A
某企业30万吨/年磷酸装置衬胶设备的硫化需要蒸汽，而厂区锅炉房还未建成，根据现场情况决定从该装置旁的公司引入一根临时蒸汽管作为过渡，该设备硫化需要蒸汽0.6MPa920m3/h,从接入点到使用点约800米，其中跨公路两次，其余均高出场平地面500mm。
1.管径、壁厚及保温厚度的计算
查物性数据表有，0.6MPa蒸汽温度t0.6=164℃，
1.1管径计算
流量Q=920m3/h,则管径d=18.81 , 蒸汽流速取v=15m/s,则d=18.81=147.3
圆整取d=150 （管道内径）
1.2管道壁厚计算
1.2.1理论壁厚计算
上式计算出管道内径，对于≤1.7承受内压的压力管道理论计算壁厚按（1-1）（1-2）式子计算
δ= (1-1)
δ= (1-2)
δ------管道计算壁厚cm
p------设计压力MPa
Dw------管道外径mm
Dn------管道内径mm
[σ]t------钢管在设计温度t下的许用应力MPa,见1-2
Dn------管道内径mm
η------ 许用应力修正系数，见表1-1
表1-1许用应力修正系数
表1-2钢管许用应力
（摘自GB150-89钢制压力容器）
0.6MPa的饱和蒸汽温度为164℃,管子采用GB8163的20#无缝钢管
内插法求得[σ]164=[σ]150+ (164-150)=128
所以管道理论壁厚δ===0.35cm=3.5mm
1.2.2管道的设计壁厚
管道设计壁厚按(1-3)计算 ：δs=δ+c=δ+c1+c2(1-3)
c----------管道壁厚附加值,,
c1----------管道壁厚负偏差附加值mm
c2----------腐蚀余量mm
管道壁厚负偏差附加值一般按下列数据取用：壁厚≤5.5mm时c1=0.5mm, 壁厚在 6-7mm时c1=0.6mm
壁厚在8-25mm时c1=0.8mm
对于一般汽水管道c2=0,考虑到蒸汽流速高，取c2=0.5mm
所以设计壁厚δs=3.5+c=3.5+0.5+0.5=4.5mm
通过计算选择Φ1594.5规格的20#无缝钢管，标准号为GB8163.
1.3保温层计算
对于D≤1000mm的管道和圆形设备管道保温层经济计算公式按（1-4）计算：
（1-4）
D0----------管道或设备外径,
D1---------绝热层外层，m
PR----------能价，元/GJ
PT-----------绝热结构单位造价
λ----------绝热材料在平均温度下的导热率，W/（m.℃）
as----------绝热层外表面周围空气放热系数，W/（m2.℃）
T0---------管道或设备外表面温度，℃
Ta----------环境温度，℃
S----------绝热投资年分摊率，S=i(1+i)n/(1+i)n-1,%
i----------年利率（复利率），%
n----------计息年数，年
δ----------绝热层厚度，m
已知管径D0=159蒸汽温度T0=164℃，环境温度Ta=20℃，能价PR=3.6元/106kJ,投资计息年限数按n=5年，年利率i=10%,绝热材料总价按640元/m³，风速ω=3m/s,选用岩棉作为保温材料，密度ρs小于200kg/m³，0.5mm的铁皮做保护层。
（1）求导热系数TM ==92
λ=0.044+0.00018（TM-70）=0.044+0.00018（90-70）=0.0476W/(m.℃)
（2）总表面给热系数取a0=7 =（+6）1.163=(7+6)1.163=20.33
（3）绝热投资年分摊率S=i(1+i)n/(1+i)n-1==0.264
（4）=
=0.125
求出 =0.125，查表得出δ=73，取整δ=75mm
2.管道支架跨距的确定
支架的跨距决定着管道支架的数量，跨距的大小影响着投资，所以再保证安全合正常运行的条件下，应尽可能增大管道支架的跨距来降低支架费用，管道支架的允许跨距取决于管材的强度、管子截面刚度、外荷载的大小、管道的敷设坡度及管道允许的最大挠度，
管道支架允许跨距的计算按强度和刚度两个条件进行，取两者中较小值作为最大允许跨距。
2.1按强度条件确定管道支架允许跨距
对于连续敷设的水平管道，支架允许跨距按（2-1）计算
Lmax=2.21
Lmax---------管道支架最大允许跨距，m
q----------管道单位长度计算荷载，q=管材重+保温重+附加重N/m,见表2-1，2-2
W---------管道断面抗弯矩，cm3,见表2-3
Φ--------管道横向焊缝系数，见表2-4
[σ]t------钢管在设计温度t下的许用应力MPa,见表1-1
表2-1保温管道保温结构单位长度重量
表2-2 不保温管道单位长度计算荷载
表2-3 管道计算数据表
表2-4 管子强度焊缝系数
所以Lmax=2.21=2.21=10.2m
2.2按刚度条件确定管道支架允许跨距
管子在一定跨距下游一定的挠度，有管道自重产生的弯曲挠度不应超过支架跨距的0.005（疏水时，放水坡度i0=0.002）对于连续敷设的水平管道，支架允许跨距按（2-2）计算
Lmax=0.19
Lmax---------管道支架最大允许跨距，m
q----------管道单位长度计算荷载，q=管材重+保温重+附加重N/m,见表2-1，2-2
E1---------计算温度下刚才弹性模量，MPa,,见表2-5
J--------管道断面惯性矩，cm4见表2-3
i0 -----管道放水坡度，i0≥0.002
表2-5 常用钢材的弹性模数和线性膨胀系数
Lmax=0.19 =0.19
=7m
经过计算管道支架最大跨折中取8m
2.3水平弯管管道支架允许跨距的确定
水平90°弯管两支架间的管道展开长度，不应大于水平直管段上支架最大允许跨距的0.73倍。
即两弯管之间的管道支架L=8
2.4垂直弯管管道支架允许跨距的确定
垂直90°弯管两支架间的管道展开长度，不应大于水平直管段上支架最大允许跨距的0.81倍。
即两弯管之间的管道支架L=8
3管道支架、补偿的设计计算
3.1支架表示方式如图3-1
图3-1 支架表示
管道接入点标高为2.5米，接入点在设备上，可认为是一个固定点编为S1，接出设备1.6m管道需上升到7m跨过16m宽的公路 ,由前面计算有，对于水平直管，两管道支架之间的最大距离为8m，水平弯管距离为5.5m，垂直管道距离为6.5m，则管架S2应设置在垂直管道标高为EL+6.500处，此段跨路立面图如图3-2
3-2：跨路蒸汽管立面图
L=16m的直管段设置两个管架S3和S4间距为7米，按计算管架S5应设在垂直管段标高EL+3.500处，S6应设在水平直管上里垂直管道中心距离4.5m处。
3.2管道热补尝
管道热补偿的方法有两种：一种是管道自身弯曲自然补偿，另一种是采用补偿器。
3.2.1管道热伸长量的计算
管道热伸长量按3-1式计算
=Lα(t2-t1)(3-1)
-------管道热伸长量。cm
L------计算管长。m
α-----管道的线膨胀系数，cm/(m・℃)；热力管道中对于一般钢材α见表2-5
t2------管内介质温度，℃ t2 =164℃
t1-----管道安装温度，℃t1 =20℃
3.2.2 管道的自然补偿
1）L型直角弯管自然补偿管段如图3-3，其短臂长度Ɩ按图3-4查得。
图3-3L型补偿管段
图3-4 L型短臂长度线算图
2）Z型自然补偿管段如图3-5，其短臂长度Ɩ按图3-6查得。
3-5 Z型自然补偿管段
图3-6 Z型短臂长度线算图
此段跨路蒸汽管后有134米的直管段，不易做自然补偿，所以次跨路段管线最好利用自身的弯曲进行自然补偿，由图可以看出，此段可做四个L型补偿，也可做2个Z型补偿，鉴于此段管线短，为减少固定支架数量，我们做2个Z型自然补偿，则S4设为固定点，接入点是在设备上，可看做是一个固定点，则Z型补偿器L2=14m,短臂L1=1.530m,
长臂热伸长量=L2α(t2-t1)=1411.7210-4（164-20）=2.36cm
短臂热伸长量 =L1α(t2-t1)=1.53011.7210-4（164-20）=0.258cm
所以热伸长量 = +=2.62cm
查线算图3-6有Z型短臂长度Ɩ=860cm,而此段管线中Ɩ=400cm是否能满足自然补偿通过下面计算来验算
3）空间自然补偿管段，其自然补偿能力能否满足要求，可按3-2式判别
DN--------管道公称直径,mm
-------管道三个方向热伸长量的向量和，cm,=
x、z------计算管段沿坐标轴x、y、z的热变形量，cm;
L-------管段的展开长度，m
U-------管段两固定点之间的直线距离，m，U=
x、y、z------计算管段沿坐标轴x、y、z的长度，m。
= == =
=2.38cm
L=1.53+4+14=19.53m
U= ==14.6m
= = 14.69
所以此段管线中Ɩ=400cm也能满足空间补偿。
固定点确定后，可以根据这个固定点反推第二个Z型补偿的固定点。第二个Z型补偿器短臂长度Ɩ=650cm
查3-6线算图有热伸长量=7cm,LI=2m,则 =2=0.337cm
===7-0.337=6.663cm
由（3-1）=Lα(t2-t1) 有L2= = = 39.4m
取整得L2=39m，即第二个Z型补偿器的固定点离垂直管道39m,管架布置如下图：
固定管架S10后是一段长96米的直管段，对于直管段不能够自然补偿，为应对管线的热膨胀通常采用方形补偿器，方形补偿器由四个90°弯头组成，常见的如图3-7所示四种类型，
图3-7 方形补偿器
1型（b=2a）2型（b=a）3型（b=0.5a）4型（b=0）
对于热力管道固定支架之间的最大间距见表3-1
表3-1 热力管固定支架间距表
查上表可知道，DN150的热力管道两固定支架的最大间距为80米，即以8m一个管架设置，依此类推管架S20为固定支架，S10和S20两固定管架之间管道热伸长量按（3-1）计算.
=Lα(t2-t1) =8011.72=13.5cm=135mm
两固定管架之间热伸长量为135mm，方形补偿器的选择见表3-2
表3-2 方形补偿器选择表
补偿形式选择1型（b=2a）,补偿能力按mm查表知外臂伸长H=a+2R=2120,弯头半径R=1.5D
,即R=1.5150=225, H=a+2225=2120得出a=1670,即所选方形补偿器如图3-8
图3-8 方形补偿器
方形补偿器两边的支架设为导向支架，补偿器设在两固定支架的中间，如图3-9所示
图3-9 S10、S20两固定支架间方形补偿器
此段直管段结束后，管线要穿过厂区大门，所以管线向上走到大门顶部，借助大门作为支架，此处管线不长，在大门上不宜设置固定支架，所以在拐弯处为防止管线便宜设置导向支架，其余全为滑动支架，让管线自然弯曲补偿热膨胀，如图3-10
图3-10 跨门管线图
跨过门以后管线降到原标高走，此段直线将近200m,而两固定支架间的距离不大于80m，故此段先设置三个固定点，两个方形补偿器，如下图:
此段直管线过后，管线要跨过14米宽的公路，需上到EL+7.000的标高再下降到原标高，所以此段只能2个坐Z型补偿器，按Z型补偿器计算方法算出长臂短臂热伸长量得出固定点位置如下图：
管道跨过公路以后，沿挡墙边走约200m直线，同样直线管段不能做自然补偿，只能做方形补偿，和上段长直管线一样，此段也设置三个固定点2个方形补偿器，如下图：
，此段直管线过后管线转弯再沿墙走160m到使用点，次转弯点可利用管道自然弯曲做L型补偿，由表3-1有L型补偿器长臂固定点最长不能超过30m,此处就设置固定点距离为30m, 由（3-1）有
=Lα(t2-t1) =30）=5.06cm=50.6mm
查图3-4线算图有L型补偿器短臂Ɩ=6m ,为防止管线变形，拐弯处管架设置为导向，如下图所示
管线转弯后直线走128米到用气点，同前面直管线一样，此段也设置方形补偿器，如下图所示
4.结束语
本次设计共设置了12个固定支架，6个方形补偿器，四个Z型补偿器，一个L型补偿器，设计完成后利用应力计算软件计算管线得出管线支架设置合理，现在管线已经运行了2年，运行中没有出现问题，
参考资料
1.简明动力管道手册编写组《简明动力管道手册》机械工业出版社1984年5月
2.动力管道设计手册编写组《动力管道设计手册》机械工业出版社2006年4月
3.徐宝东齐福海《化工管路设计手册》化学工业出版社 2001年5月
4.赵廷元、岳学文、 孙振安《热力管道设计手册手册》山西科学教育出版社太原1986年2月