蒸汽管道设计的两个重要因素是合理设置管道支架与合理选择热补偿方式。通常情况下,蒸汽管道的运行温度和压力都很高,为保证管道在热状态下运行的稳定和安全,减少管道热胀冷缩时所产生的应力,蒸汽管道的设计中,必须充分考虑管道的热补偿问题。
　　1 热补偿
　　蒸汽管道的热补偿方式有两种,利用管道自身弯曲的自然补偿和设置补偿器。通常采用的补偿器包括方型补偿器、波纹补偿器、套筒补偿器和球型补偿器。蒸汽管道热补偿的设计原则是:(1)优先从管道布置上考虑自然补偿;(2)考虑管道的冷紧;(3)在(1)(2)不能满足管道热补偿要求时,选择合适的补偿器。
　　蒸汽管道的布置能否吸收热膨胀,需要通过管道的应力分析来判定。应力产生因素包括内部压力、外部荷载、热膨胀、冷紧等,应力分类包括管道承受的内压和持续外载(包括自重和支架反力等)作用下产生的一次应力和管道受热胀冷缩变形的约束而产生的二次应力。
　　2 蒸汽管道设计中应注意的几个问题
　　2.1 支架的设置
　　固定支架(GZ)将管道系统分割成简单稳定、可独立膨胀的管段,用来承受管道因热胀冷缩所产生的推力,其推力大小与管径、温度、支架位置和膨胀节的形式有关,一般应考虑以下三个方面:(1)管段的热伸长在补偿器的允许补偿量范围内。(2)管道不产生纵向弯曲(特别是对同轴度要求较高的补偿器,GZ的间距尤为重要)。为保证膨胀节的同轴度,补偿器应安装在GZ旁的直管段上,活动侧设导向支架(DZ),第1个DZ与GZ的间距≤4DN,第2个DZ与GZ的间距≤14DN。(3)2个GZ之间的管段不应安装多个单式补偿器。
　　2.2 膨胀节的选用
　　选用膨胀节时,除了依据样本选型外,还应提出详细的定货要求,膨胀量控制在额定膨胀量的85％～90％,并考虑50％的预拉伸量。膨胀节在应用时必须考虑推力和弹性反力,许多蒸汽管道的运行事故(支架移位、弯头撕裂等)都是由于对GZ受力估计不足导致的。
　　对波纹管补偿器而言,其抗拉的稳定性高于抗压,在选用轴向型补偿器时应优先采用外压轴向型。波纹管可利用自身轻微的扭曲吸收膨胀,其变形角θ建议在10°以内,5°左右为好,不能超过最大允许变形角。
　　2.3 不平衡力
　　在管道蒸汽阀门、盲端或支管与主管交汇处,管道内介质的流动会对管道产生盲板力,通过管道传递至附近的GZ上。当在两个GZ之间设置套筒或轴向波纹补偿器,补偿器一侧有阀门且阀门关闭,或GZ设置位置靠近弯管段,内压力的作用将有使补偿器脱下的趋势。因此GZ必需有足够的刚度,以抵抗使补偿器脱开的盲板力。
　　2.4 补偿器在蒸汽管道设计中的应用实例
　　天铁冷轧工程的蒸汽管网设计,蒸汽管道的设计温度200℃,设计压力1.0MPa。由于管道众多,厂区设计要求整洁美观,蒸汽管道的补偿方式采用了较多的波纹补偿器。
　　2.5 蒸汽管网设计
　　蒸汽外网的热补偿采用自然补偿和平面铰链型补偿器相结合的方式,主管管径DN250,铰链补偿器采用典型的Π型和L型设置。经计算,角位移θ≤6°,补偿器型号选用SJ16-250ⅢA。补偿器设计参数为DN250,P=1.6MPa,角位移θ=14°,弯曲刚度Kθ=140N·m/度。
　　车间内部的蒸汽管道基本布置为直管,主管管径DN450,热补偿方式采用复式拉杆与旁通直管压力平衡补偿器相结合的布置。补偿器根据设计压力和热伸长量选型,GZ间距不宜过大,且设置在结构钢柱上,采用聚四氟乙烯管道托座,GZ水平推力F≤50kN,补偿器选型时考虑50％的预拉伸量。此外,旁通直管压力平衡补偿器对管道同轴性要求很高,尽量布置为直管,GZ以外的支架形式均采用DZ。
　　2.6 问题分析
　　车间内部一段DN450的蒸汽管道,支架设置。受厂房空间限制,支架D5和D6之间有两段不足3m的弯管,仅靠管道自身的自然补偿不足以吸收热伸长量,因此采用旁通直管压力平衡补偿器,将补偿器设置在远离弯管的固定支架G1端。但是管道通入蒸汽时,管道弯曲段受到D5、D6两个导向支架的限位,产生巨大的扭矩,使得靠近支架D6端的弯头撕裂。
　　为了保证整个项目的投产计划,首先将支架D6取消,并对弯头焊缝进行加强,再缓慢平稳的通入蒸汽,管道扭矩被弯头和管道自身形变所吸收,管道运行正常。通过分析计算,将原有导向支架D5改为固定支架G3,两段弯管并为直管,并在该直管段上增设复式拉杆补偿器,形成两段分别由旁通直管压力平衡补偿器和复式拉杆补偿器进行热补偿的蒸汽管道。待停汽整改后,整个蒸汽管网最终实现了安全稳定运行。