趙仁義

中國(guó)石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司 河南洛陽 471003

中壓過熱蒸汽管道的設(shè)計(jì)與施工探討

趙仁義

中國(guó)石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司 河南洛陽 471003

結(jié)合中壓過熱蒸汽管道的設(shè)計(jì)與施工情況，重點(diǎn)探討了此類管道在設(shè)計(jì)、施工中的基本技術(shù)問題，并闡述了設(shè)計(jì)與施工的重要關(guān)系。

過熱蒸汽 低合金鋼 管道 管支架 焊接 焊后熱處理

中壓過熱蒸汽管道是石油化工裝置中最重要的壓力管道之一，其設(shè)計(jì)與施工既是重點(diǎn)又是難點(diǎn)，設(shè)計(jì)是否合理、施工是否規(guī)范將直接關(guān)系到整個(gè)裝置運(yùn)行的可靠性、經(jīng)濟(jì)性與安全性。下面結(jié)合某180萬t/a催化裂化裝置，對(duì)中壓過熱蒸汽管道的設(shè)計(jì)與施工問題進(jìn)行探討。

1 工程概況

循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器、外取熱器與中壓汽水分離器共同組成一個(gè)中壓產(chǎn)汽系統(tǒng)，由其產(chǎn)出255℃、4.22MPa的中壓飽和蒸汽全部進(jìn)入兩臺(tái)并聯(lián)的余熱鍋爐，經(jīng)兩臺(tái)余熱鍋爐過熱器合并后，進(jìn)入蒸汽過熱爐過熱至440℃、3.82MPa，就產(chǎn)出了中壓過熱蒸汽190～240t/h,由此來供給氣壓機(jī)組背壓透平48～60t/h、主風(fēng)機(jī)組汽輪機(jī)146～170t/h，不足部分由裝置外系統(tǒng)供給3.9t/h中壓過熱蒸汽。

2 中壓過熱蒸汽管道的設(shè)計(jì)

為保證本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)操作方便、經(jīng)濟(jì)合理及安全生產(chǎn)，就必須做好中壓過熱蒸汽管道的設(shè)計(jì)工作。

2.1 管道材質(zhì)及壁厚的確定

管道材質(zhì)應(yīng)根據(jù)管道級(jí)別、設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力和介質(zhì)特性要求等設(shè)計(jì)條件，以及材料的加工工藝性能、焊接性能和經(jīng)濟(jì)合理性等條件進(jìn)行選用。該中壓過熱蒸汽管道的設(shè)計(jì)溫度為460℃，設(shè)計(jì)壓力為4.20MPa；根據(jù)《石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用通則》（SH3059-2001）中常用鋼材使用溫度的規(guī)定，再結(jié)合鋼材市場(chǎng)供應(yīng)及過熱蒸汽介質(zhì)性質(zhì)等情況，該管道材質(zhì)應(yīng)選用低合金鋼15CrMoG。

《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50316-2000、2008版）給出了管道壁厚的計(jì)算公式。對(duì)壓力管道來說，大多數(shù)都屬于薄壁管子，故當(dāng)S＜D/6時(shí)，受內(nèi)壓直管理論壁厚可按下式計(jì)算：

式中：S：管子的設(shè)計(jì)壁厚，mm；

P：設(shè)計(jì)壓力，MPa；

D：管子外徑，mm；

σt：設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；Φ：焊縫系數(shù)，對(duì)無縫鋼管，Φ=1；

C1：腐蝕余量，對(duì)鉻鉬鋼C1取3.0mm；

C2：管子壁厚負(fù)偏差，mm；

Y：溫度對(duì)管道壁厚計(jì)算的修正系數(shù)，當(dāng)溫度不高于482℃時(shí)，取 0.4。

在設(shè)計(jì)溫度460℃條件下，15CrMoG管材的許用應(yīng)力約為96MPa，根據(jù)工藝流程的要求，主管直徑應(yīng)取DN450，其外徑為457mm，壁厚負(fù)偏差12.5%，經(jīng)計(jì)算管道壁厚為14mm。

2.2 管道布置

本管道布置設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)工藝及儀表流程圖的要求，以及蒸汽過熱爐、主風(fēng)機(jī)組和氣壓機(jī)組等主要設(shè)備的平面布置情況，進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以利用固定或止推支架將復(fù)雜的管系分隔成若干個(gè)較簡(jiǎn)單的管系，結(jié)合管道走向和分支來設(shè)置Π型補(bǔ)償器，通過管道自然補(bǔ)償來吸收因高溫產(chǎn)生的膨脹量；對(duì)于敷設(shè)在管廊上的管道，受管支架托板長(zhǎng)度（一般250～400mm）和支撐橫梁寬度（一般150～350mm）的限制，其管支架的最大位移量不宜超過200mm，所以每個(gè)Π型補(bǔ)償器一側(cè)膨脹量不宜超過200mm，即兩側(cè)膨脹量之和不宜超過400mm，這樣管道在熱膨脹時(shí)，管支架就不會(huì)脫離橫梁。

該管系的平面距離如圖1所示，低合金鉻鉬鋼管道在操作溫度440℃時(shí)單位線膨脹系數(shù)約為6mm/m，則每段管系的膨脹量約為：

顯然，管廊上的A0A1和C0C1段膨脹量均超過了400mm，應(yīng)分別設(shè)置兩個(gè)Π型補(bǔ)償器，則A0A1和C0C1段上每個(gè)補(bǔ)償器將分別吸收225mm和270mm左右膨脹量；機(jī)組處B0B1和D0D1段可以利用閥組處管道走向進(jìn)行自然補(bǔ)償。

先利用Π型補(bǔ)償器圖表[1]（見圖2、3），初步確定補(bǔ)償器臂長(zhǎng)L2、臂寬L3，比如△X=225mm,由圖3可知，若L3取6m，則L2取8m；再將該管道補(bǔ)償器的初步方案輸入CAESARⅡ應(yīng)力分析軟件中，進(jìn)一步優(yōu)化方案。關(guān)于計(jì)算機(jī)運(yùn)算過程就不闡述了，在此，僅截取A0A1和B0B1管段布置圖為例（見圖4）。

2.3 管支架設(shè)置

管支架的設(shè)置，應(yīng)根據(jù)管徑大小、管道走向、閥門和管件的位置，以及可生根的部位等因素確定，同時(shí)還必須滿足管道允許跨度的要求，以確保管道的安全運(yùn)行。在管廊上，本管道系統(tǒng)支撐主要是滑動(dòng)型、導(dǎo)向型、止推型以及組合型管支架；在地面上，支撐管道的主要是滑動(dòng)和固定管支架，如閥組處；在機(jī)組框架上，主要利用混凝土立柱上的預(yù)埋鋼板，設(shè)置支架和吊架，根據(jù)應(yīng)力分析情況，此處設(shè)置彈簧管支架較多。

3 中壓過熱蒸汽管道的施工

中壓過熱蒸汽管道的施工是一個(gè)重要而又復(fù)雜的過程，涉及到檢驗(yàn)、標(biāo)識(shí)移植、管道安裝及管支架安裝等方面，而焊接是管道及其支架安裝中的關(guān)鍵一環(huán)，直接影響到管道的施工質(zhì)量，該低合金鋼管材可焊性較差，要求條件比較苛刻，所以對(duì)管材、焊材、焊接工藝等關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)嚴(yán)格控制。

3.1 管道檢驗(yàn)及標(biāo)識(shí)移植

低合金鋼管道在使用之前，應(yīng)先檢查管材的質(zhì)量證明文件及實(shí)物標(biāo)識(shí)是否符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和訂貨技術(shù)條件的要求；接著核對(duì)管道的材質(zhì)、牌號(hào)及規(guī)格，進(jìn)行外觀質(zhì)量檢查；然后要對(duì)該批管材進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，做光譜分析；這些情況均達(dá)到要求后，再及時(shí)進(jìn)行標(biāo)識(shí)移植，刷上不同顏色的色標(biāo)，以便于區(qū)別其它材質(zhì)的管道。

3.2 管道安裝

3.2.1 管道焊接工藝

該管道焊接工藝采用氬弧焊打底+電弧焊填充蓋面，此過程會(huì)形成超低氫環(huán)境，容易做到單面焊雙面成形。

（1）坡口型式為V型，鈍邊1～2mm，夾角約為60°；

（2）手工鎢極氬弧焊打底，直流正接，焊接電流80～100A，電壓10～14V，焊絲H13CrMoA，Φ2.5mm；

（3）手工電弧焊填充蓋面，直流反接，焊接電流100～120A，電壓22～24V，焊條R307低氫型，Φ3.2mm。

為防止冷裂紋及再熱裂紋，坡口兩側(cè)預(yù)熱150～200℃，焊接層間溫度高于預(yù)熱溫度，表層蓋面完成后立即進(jìn)行650～700℃焊后熱處理，消除內(nèi)應(yīng)力，防止延遲裂紋。

3.2.2 管道下料、組對(duì)及焊接

按照管段布置圖和焊接工藝的要求，將自動(dòng)坡口機(jī)定好角度，對(duì)管道切割下料，然后打磨坡口，坡口內(nèi)、外表面20mm范圍內(nèi)必須清理干凈，不得有油漆、毛刺、銹斑、氧化皮及其它對(duì)焊接過程有害的物質(zhì)，同時(shí)組對(duì)間隙也必須符合焊接工藝要求，一般為2～3mm，錯(cuò)邊量不大于0.5mm，在坡口定位后，而且滿足焊接環(huán)境條件下，可以根據(jù)焊接程序曲線（見圖5）進(jìn)行施焊。

A→C：升溫預(yù)熱階段，其中BC段進(jìn)行手工鎢極氬弧焊打底；

C→E：層間保溫階段，其中DE段進(jìn)行手工電弧焊填充蓋面；

E→F：清渣打磨階段，重新鋪設(shè)電加熱帶、熱電偶及附屬設(shè)施；

F→I：焊后熱處理階段，以200℃/h升溫速度至680℃左右，然后恒溫2h，接著以200℃/h降溫速度保溫緩冷至250℃，最后在空氣中自然冷卻。

3.2.3 管道焊縫檢測(cè)

管道焊縫在經(jīng)過24h且外觀檢查合格后，進(jìn)行100%RT射線檢測(cè)，同時(shí)進(jìn)行20%焊道硬度測(cè)定，每處測(cè)定三點(diǎn)：焊縫、熱影響區(qū)和母材。通過對(duì)焊縫的檢驗(yàn)、測(cè)定，沒有出現(xiàn)延遲裂紋和硬度超標(biāo)的情況，均達(dá)到了合格的要求。

3.3 管支架安裝

管支架安裝是管道施工中的一個(gè)重點(diǎn)，管支架施工不當(dāng)，往往會(huì)造成管支架脫空、滑落，管道系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲、甚至共振，嚴(yán)重者會(huì)造成相鄰管道被推開，設(shè)備管嘴、法蘭被撕裂等后果，因此，對(duì)本管道系統(tǒng)的管支架制作、焊接及安裝過程應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)：

（1）應(yīng)按設(shè)計(jì)圖紙要求制作管支架高度，避免因高度過小，管道移動(dòng)時(shí)保溫材料造成破壞；避免因高度不均，部分管支架脫空；

（2）應(yīng)按設(shè)計(jì)圖紙要求制作管支架托板長(zhǎng)度，如圖4中的導(dǎo)向支架 A2、A3、A4、B1，止推支架 A5，以及組合架 A1都是加長(zhǎng)型管支架；

（3）應(yīng)確保導(dǎo)向支架、止推支架的位置及型式安裝正確，不得憑感覺隨意更改管支架的類型；

（4）所有管支架都必須帶有墊板，其材質(zhì)與中壓過熱蒸汽管道相同，并且要求墊板與管道滿焊，且墊板上預(yù)留透氣孔，不得有漏焊、欠焊或裂紋等缺陷，待焊接完成后，同此處管道一塊做焊后熱處理，確保焊縫應(yīng)力消除。

考慮到低合金鋼管道的管支架現(xiàn)場(chǎng)施工的復(fù)雜性，可以設(shè)計(jì)為卡箍型隔熱式管支架，采用工廠化預(yù)制，將成品運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)，就可以免去現(xiàn)場(chǎng)焊接及焊后熱處理等工序，節(jié)省施工時(shí)間，但要求管支架圖紙尺寸標(biāo)注更加準(zhǔn)確，同時(shí)可能會(huì)增加投資成本。

4 結(jié)論

在設(shè)計(jì)方面，中壓過熱蒸汽管道材質(zhì)要求高，管道布置復(fù)雜，管支架設(shè)置類型多；在施工方面，該管道焊接程序復(fù)雜、工藝嚴(yán)格，且現(xiàn)場(chǎng)焊接的管支架須帶墊板，并要求對(duì)其做焊后熱處理等。

可見，管道的設(shè)計(jì)決定著管道的施工，管道的施工體現(xiàn)著管道的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了由工程圖紙到工程實(shí)體的轉(zhuǎn)化；只有設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化，施工進(jìn)一步規(guī)范，裝置才能做到經(jīng)濟(jì)合理、安全運(yùn)行。

1張德江，王懷義，劉紹葉.石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)/第一篇,設(shè)計(jì)與計(jì)算（第三版）.北京：中國(guó)石化出版社，2004.

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