蒸汽长输管道设计的难点及建议
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摘 要：本文主要从蒸汽长输管道散热量数值的确定和疏水器的选型出发，提出了蒸汽管道高程增加时宜采用 “台阶式”而高程减少时宜保持一定坡度连续减少的建议。同时也对比了国内和国外知名设计院蒸汽管道支架设置不同，可为类似蒸汽长输管线项目提供参照。
关键词：蒸汽长输管道；设计难点；建议
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.094
近年来受国内环保、节能、减排等政策的影响，供热热源呈现大型化、集中化的趋势。在这个趋势下，连接热源和热用户的蒸汽长输管线项目也逐渐增多。和普通管线相比，蒸汽长输管线的设计存在着散热量控制及疏水；管道具体路径的确定；管道热膨胀及管支架设置等问题。妥善的解决这些问题，才能使蒸汽长输管线运行安全、造价低、效益高。本文对散热量控制及疏水器选型、蒸汽管线具体路径的确定进行了分析并提出了自己的見解；在管道支架设置方面对比了国外设计院的设置方法和国内的常规做法；可为以后蒸汽长输管道的设计提供借鉴。
1 散热量控制及疏水器选型
蒸汽管道散热量和工作温度、环境温度、保温厚度及保温材料导热系数等有关。管道工作温度和环境温度差值越大，保温厚度越小，保温材料导热系数越大；管道散热量就越大。管道工作温度受蒸汽用户用汽工况限制，在设计蒸汽长输管线时已经明确且无法改变。为达到较小的管道散热量，就需要减小保温材料导热系数及增加保温厚度。保温材料选定后，导热系数也是既定数值。而增加保温厚度则会增加管道保温成本。把管道散热量、保温成本控制在合理的范围就变得十分困难。
图集98R418还给出室外安装管道不同工作温度下管道外表面的散热量；如下：
设计人员可依照给出的数值参照选用。图集98R418给出环境温度：冬季运行工况室外安装，环境温度取-14.2℃（内蒙海拉尔冬季平均温度），全年运行工况室外安装，环境温度取-4.1℃（青海玛多全年平均温度）。在选定管道外表面散热量和环境温度后，可根据图集98R418给出了公式计算保温层厚度[1]，如下：
其中：
Di：管道外径，m；
δt：管道保温层厚度，m；
T0：管道工作温度，即管道介质温度，℃；
Ta：环境温度，℃；
[Q]：管道外表面散热量，W/m2；
k：管道外表面散热量系数；
αs ：保温层外表面放热系数，对室外安装管道，取23.26W/（m2·℃）；
当确定好管道散热量和保温层厚度之后，设计人员可根据下式估算管段某一长度的疏水量：
其中：
L：管段长度，m；
hs：蒸汽焓值；
hw：相应压力下饱和水的焓值；
n：安全系数，>1。
安全系数的选取带有很大的经验性；需考虑蒸汽本身是否带水，管段上阀门、管托等的影响；通常建议取n=2～3。疏水器应设置在管段上升段的起始点（低点）。对于水平敷设或持续倾斜敷设的管道可按照一定间距设置。疏水器常设置在固定支架附近。间距的选取也带有很大经验性，建议取60～100m。
2 蒸汽管线具体路径的确定
在考虑蒸汽具体路径时，蒸汽管道的终点已经明确。蒸汽管线路径的选取需考虑所经过场地的地形地貌，管道宜平行于建筑物或道路；尽可能的减少穿越公路、铁路、河谷。当的确需要穿越时，蒸汽管线需以一个较大的角度穿过。
蒸汽管线具体路径及高程的确定需考虑疏水的方便。蒸汽管道水平布置时，按照选取的间距设置疏水器即可。对于高程增加的蒸汽管线，为了疏水方便减少水锤；宜采用台阶式逐步达到所需高程。台阶下部管道低点需设置疏水器。对于高程减小的蒸汽管线；宜采用连续坡度缓慢降低管道高程，不宜采用台阶式迅速降低高程。在保持连续坡度的管段，可按选取的间距设置疏水器。
3 管道热膨胀及管支架设置
和其它管道相比，蒸汽管道还有热膨胀问题。在处理蒸汽管道热膨胀问题之前，需用固定支架将蒸汽管道“分段”。固定支架设置和蒸汽管道“分段”需尽可能利用管道走向自然形成的“L”型和“Z”型来形成自然补偿。除“L”型段和“Z”型段外，蒸汽管道应尽可能使用方形型补偿器；方形型补偿器需尽可能的水平设置或和蒸汽管道保持相同坡度设置，尽量不要采用向上或向下的台阶式设置。在条件不允许的情况下，才考虑设置套筒补偿器、波纹补偿器和球形补偿器等。因为方形型补偿器由弯头组成，有着和直管段相近的强度，不容易泄露。而其它类型补偿器往往强度不够，容易发生泄露。
国内通常在离方形补偿器两端约40倍公称直径处设置导向支架[2]，在两端设置2～3个导向支架后便设置无任何管道径向位移限制的滑动支架。而一国际知名设计院则建议在方形补偿器外尽可能短的位置上设置导向支架，以减少作用在导向支架上的力矩。整个管段长度上除固定支架外其它所有支架均设置带有对管道径向位移限制的导向支架。各限位所预留的间隙根据距固定支架距离的长短、热位移方向预估并园整至特定的几个数值，如10mm、30mm、50mm、70mm等；左右限位预留间隙也可以不相同。这样既可以不限制管道由于温度升高而引起的热位移，同时也可以消除管道的风荷载、地震荷载、管道振动等可以造成管道径向位移。对于利用自然补偿的Z型或L型补偿器，该设计院建议在长臂靠近弯头处设置支架，以减小力矩；长臂靠近弯头处的支架限位间隙大一些，向固定支架靠近时支架限位间隙逐渐减小。
4 结束语
把长输蒸汽管道散热量和保温成本都控制在一个合理的范围十分难以平衡的问题，设计人员可以参照相关图集并结合自己的经验、业主对保温成本的控制做出相应的决定。确定管道散热量后便可确定蒸汽管道疏水量，进行疏水器选型。管道具体路径需结合现有的地形地貌、建筑物分布及现有道路来决定。当管道具体路径大致确定之后，便可进行管道支架和补偿器设置。当补偿器设置困难而现场条件允许时，也可具体调整管道路径；使补偿器设置方便。
参考文献：
[1]黄辉，王为等.管道及设备保温[M].北京：中国建筑标准设计研究所，2002：2-40.
[2]《动力管道设计手册》编写组.动力管道设计手册[M].北京：机械工业出版社，2006：446.
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