浅谈蒸汽管道的设计

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【摘要】：蒸汽管道的安装与布置，管道由于热应力而使用的热补偿的形式，疏水阀组即疏水器的的安装布置原则，支吊架的放置以及在蒸汽管道的设计中需要考虑的套管变形，保温及水击现象等问题的处理解决办法。

【关键字】：压力管道；蒸汽管道；蒸汽管道安装；疏水器；支吊架；水击现象

中图分类号：TU81文献标识码： A

前言：蒸汽管道在轻工行业中用途广泛，不仅可以作为热源用于加热，保温，还可以用于为原料消毒杀菌。蒸汽管道作为压力管道，在设计上要遵循压力管道设计原则，同时，由于蒸汽的特殊性，在管道设计上还要考虑到冷凝水的排放，疏水阀组的放置。

1、蒸汽管道布置原则

蒸汽管道布置应考虑热负荷分布、热源位置、与各种地上、地下管道及构筑物等多种因素。蒸汽管道敷设方式一般采用地上敷设（架空）和地下敷设（地沟），采用地上敷设方式时，在设计中一定要注意美观，与周围建筑物要协调一致，一般工业厂区多采用地上架空方式敷设，此种方式造价相对较低。由于城市环境的要求，在城市热网中逐步采用直埋敷设。

2、蒸汽管道安装

2.1 勘测放线

施工单位与建设单位工程技术人员要严格按照施工图纸进行测量放线，打好管线走向的重要点。转角点需注明角度及切线长。若管道沿线遇到地下隐蔽工程时，放线应在交叉范围两端作出明显标记。

2.2 钢管检验

钢管的质量直接影响管道使用寿命，在施工中要求钢管表面不得有裂纹、腐蚀、结疤和凹痕等缺陷，钢管和管件须具备出场质量证明书等技术资料，各种技术指标必须符合管道行业有关标准和规定（如力学性能、化学成分、强度、韧性等）。

2.3 管道安装

经过管线走向勘测、钢管检验等工作后，可以进行管道的安装。由于蒸汽管道有架空敷设方式和地埋敷设方式之分，所以施工方法不同。架空敷设时，管道安装完毕，在进行保温施工前，须对管道进行水压试验。对于长距离的蒸汽管道可做分段试压。试压前，在管路最高点安装放空阀，在最低点安装疏水阀。试压压力为设计压力的1.5倍，在试压时，试压表计须校验，其精度不得低于1.5倍，表的满刻度值应为被测最大压力的1.5~2倍，压力表不得少于两块。地埋敷设与架空敷设不同在于，在安装管道时要在外套管做排潮管。进行完水压试验后须做气密性试验，气密性试验压力为0.4MPa。

2.4 管道的热补偿

为使管道在工作状态下稳定、安全运行，工程设计时，应对管道因受热时的热伸长量进行补偿，减小管线因温度变化而产生的冷热应力；避免因应力集中对管线造成破坏；防止事故发生。管道热补偿的方式有很多种，可以安装补偿器，也可利用蒸汽管线走向的各种弯折（如L型、Z型等）进行自然补偿，由此减少补偿器的数量，从而降低蒸汽管道的工程造价。

2.5 支吊架的安装

蒸汽管道敷设时每隔一定距离需要设置一支撑点，以支撑管道、附件、保温层及管道中的水重，并承受管道作用力。支吊架分为固定支架、导向支架、活动支架、弹簧支吊架等形式。在实际工程施工中，当需要减少支架水平尾翼的摩擦力时，可采用滚动支架。弹簧支吊架用于垂直位移的支撑点，当有水平位移时，弹簧支架应加装滚柱。在设计安装时应对固定支架做推力和应力验算。

2.6 疏水器的安装

在蒸汽管道上必须设置疏水器，其作用是自动防止蒸汽泄露而且迅速排除用热设备及管道中的冷凝水，保持蒸汽干燥，提高蒸汽利用效率。蒸汽管道疏水器设置位置：1、管道的最低点；2、被阀门切断的各管段最低点；3、垂直升高前的管段最低点。一般顺坡情况下每隔400~500米，逆坡时每隔200~300米设置启动疏水和经常疏水装置。

3、常见问题及解决办法

3.1 钢套管的椭圆化变形

直埋蒸汽管道中钢套管椭圆化变形带来的麻烦和解决方法，根据材料力学理论，常规壁厚的钢管当直径超700mm，会因椭圆效应产生椭圆变形，使得力学计算复杂化。当介质温度超过300℃，一般DN>400 mm的工作管，钢套管直径就有可能超过700mm，钢套管椭圆变形就会产生。埋地钢套管椭圆化变形主要与两个因素有关：A、钢套管上面作用的垂直荷载，包括随埋深增加而加大的土壤荷载和随埋深增大而减小的车辆等活荷载；B、钢管的截面参数，在相同的垂直荷载作用下，钢管半径越大，随圆化变形越大，管壁越厚，椭圆化变形越小。钢套管椭圆化变形，如超过一定限值，会造成局部失稳破坏，即使没有达到失稳破坏程度，如果预留缝隙与计算变形不符，滑动支架变形、卡腿、断腿必定会发生，造成管道系统破坏。为了控制因椭圆化变形造成管道破坏，在进行外滑动钢套结构型式设计、生产时，应按有关规范，认真计算，将随圆化变形率控制在3%以内，同时，滑动支架与钢管内壁间隙应与之适应。

3.2 保温及细节处理

保温材料如何长期包缚在工作钢管上，是有着严格技术措施的，需要采用特殊的防腐蚀钢材带包缚保温材料，间距也有具体要求。如果简单地用细铅丝或塑料带包缚保温材料。在高湿热条件下，经过一段时间的铅丝锈断，塑料带老化，造成保温材料脱落，保温结构破坏。

内工作钢管保温层外表面与钢套管内壁的间距尺寸并不随意，而是将这个空间作为辐射传热的保温层，空间不能产生流动气流。国外是抽真空达到防止产生气流，国内由于条件所限，采用抽真空措施，暂时还难以实现。但预留的空气层厚度不能随意，一般不大于20 mm，以防止空气对流产生，提高隔热效果。某些节点处理也存在不安全性和检修难。如将波纹补偿器安装在外钢套管内，一旦破坏，如何确定位置、如何检修均尚没有明确、成熟的方法，其它像国内固定支架、疏水装置等同样存在上述问题。

3.3 水击现象及避免措施

蒸汽管线停送气时，有时能听到“咣咣”的声音，这就是水击现象。水击现象是介质流动状态忽然改变，管内流体栋梁发生变化而产生的压力瞬变过程，是管内不稳定流动所引起的一种特殊震荡现象。它使蒸汽管道的使用寿命缩短，严重时甚至会造成管道、阀门等设备的破裂损坏。所以在蒸汽管道设计和生产操作过程中要尽可能避免发生水击。一般可通过以下方法避免和减轻水击对蒸汽管道的影响。

①在管道设计安装时，必须是管道具有足够的坡度，并尽可能保持汽、水同向流动。

②在停送汽时，延缓阀门的调节时间，使管内流体的流速变化很小，减少管内流体的不稳定流动。

③ 合理的管路设计也是避免水击发生的有效措施。

4、结束语

良好的蒸汽管道设计保证了蒸汽管道的安装质量，附件的选择、支架和补偿器的选择必须经过严格的设计计算，在补偿器安装时，要做预拉伸，只有如此才能保证管道安全、可靠、经济运行。蒸汽管道安装技术比较复杂，热补偿器的类型也有多种，需要在实际设计中根据具体情况合理选择使用，本文只是浅显的对蒸汽管道相关问题做了论述，仍有很多问题尚未解决，需要在不断的学习实践中进一步完善。

参考文献：

【1】《管道的水击及其预防》王建设 2002，2

【2】《压力管道规范》GB/T20801-2006