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蒸汽管道系统使用效果的优劣主要取决于管道系统的设计和施工质量。由于蒸汽管道系统从设计到施工通病较多，错误的设计施工会带来安全事故隐患。在国家能源发展战略计划以及碳达峰、碳中和要求的时代背景下，就蒸汽管道设计中应注意的问题进行概括性的阐述与探讨。
1 设计参数的确定
在设计中，仅按工艺使用的要求来考虑蒸汽管道的设计温度和压力是不够的，某些外围因素如离热源如热电厂的远近，蒸汽干管昼夜负荷变化带来的温度、压力的变化往往直接影响设计参数的确定。因此，蒸汽管道的设计温度、压力参数应根据管道系统在操作中可能遇到的最苛刻的压力和温度组合工况来确定，并保有一定的安全余量，且不小于管路系统安全泄放装置的设定泄放压力。
2 压力管道等级的划分
压力管道是指最高工作压力大于或等于0.1 MPa（表压）的气体、液化气体、蒸汽介质或可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或等于标准沸点的液体，且公称直径大于或等于50 mm的管道。公称直径小于150 mm，且其最高工作压力小于1.6 MPa（表压）的输送无毒、不可燃、无腐蚀性的气体的管道和设备本体所属管道除外。
压力管道蒸汽的类别和等级应根据管道使用性质及设计温度和压力来确定：其中类别划分为市政热力管道GB2类和工业管道GCX类（X为数字）。GC类压力管道级别划分应根据设计温度和设计压力划分为GC1、GC2和GC3级。
蒸汽管道压力管道等级的划分规范了设计中管件、管材的选择和检验、检测、探伤比例的确定。
3 蒸汽管道管件的选择
3.1 管材
管材的选择应根据蒸汽管道的设计温度和设计压力确定，蒸汽管道一般选用输送流体用无缝钢管（GB/T 8163-2018）或中低压锅炉用无缝钢管（GB3087-2008），在设计参数较高或有其他特殊要求时，也可采用高压锅炉无缝钢管（GB5310-2017）或其他低合金钢（如高温工况下选用铬钼钢），长距离大口径输送，且设计温度压力参数不高的场合，为降低建设成本或采购困难时，可选用螺旋焊接钢管（GB/T9711-2017）等。
3.2 阀门
蒸汽管道用手动切断阀一般选用截止阀或闸阀，也可以选用高温球阀。自动阀或调节阀应符合电气控制要求，其执行机构一般由电气专业选型并应符合阀门使用场合的要求；在需要调节压力的场合，可以采用成套减压装置或手动、自动减压阀组，减压阀可根据使用控制要求采用手动机械式或自力式；安全阀的选用应采用全启式安全阀并符合泄放量的要求，应根据使用场合计算确定安全阀的口径。疏水阀在蒸汽管道系统中起到锁汽、排除凝水和不凝性气体，并起到防止管道水击，保障管道安全运行的作用；所以，疏水阀应根据不同场合选用不同形式的疏水器，在疏水量不大的情况下可选用热动力型或圆盘式疏水阀，在疏水要求较高的场合宜选用机械浮球或吊桶式疏水阀，并且疏水阀的疏水能力必须考虑安全放大系数。阀门的公称压力等级和允许使用温度应符合设计参数的要求。阀门在安装前，应根据不同的管道等级按比例进行壳体压力试验和密闭试验。
3.3 管道补偿
由于蒸汽管道在实际使用运行过程中温度较高，有别于常温管道，必须考虑安装状态和运行状态之间温差引起的热膨胀，根据不同材料的线性膨胀系数和弹性模量，充分考虑管道的柔性设计是保证蒸汽管道安全运行的前提条件。如果蒸汽管道设计中未考虑热膨胀，造成柔性不足，将引起管道热应力（二次应力）过大，固定支架处推力过大以及与设备管口连接处管口载荷过大的问题，从而影响管道系统和连接设备的安全运行。在蒸汽管道柔性设计中，应尽量采用自然补偿，如采用U型补偿器或增设弯头改变管道走向等方式；当安装敷设空间限制不能采用改变管道敷设方向或增加弯头时，可采用其他补偿器如套筒补偿器或轴向型波纹补偿器等，但套筒补偿器需更换填料，维护量太大，且存在泄漏风险，轴向型波纹补偿器安装在蒸汽管路上虽然外形美观，维护量小，但其内压产生的盲板推力较大，造成土建（固定支架）工程造价增高。在市政长距离输送蒸汽管道上，采用旋转型补偿器是首先考虑的技术方案，其有补偿量大且安全可靠的特点。所以，只有在管道施工空间受限的情况下才采用各类补偿器。在条件允许的情况下应采用自然补偿，自然补偿有推力小、维护量小、使用安全可靠的特点，其缺点是占用空间较大。另外，由于各类补偿器均存在设计使用循环使用次数的问题，埋地蒸汽管道应尽量采用自然补偿。
4 焊缝检查要求
蒸汽管道焊缝质量检验是保障蒸汽管道施工质量的重要技术手段。所以，在设计中应明确蒸汽管道焊缝检查要求，根据不同等级的蒸汽管道确定不同等级的焊缝检查要求。一般蒸汽管道对接焊缝需进行目视检查、射线检查或超声检测，特别对固定焊口，需增加检测比例，某些重要的角焊缝或支管开口焊接处，需进行磁粉或渗透检测，各等级焊缝检查应符合相关国家标准、设计规范的要求。需要特别注意的是，不同类别的蒸汽压力管道适用的检验标准是不同的，如GB2级市政热力蒸汽管道采用《无损检测 金属管道熔化焊环向对接接头射线照相检测方法》（GB/T12605-2008），而GC类工业蒸汽管道采用《承压设备无损检测》（NB/T 47013-2015），且检测比例和合格标准也是不相同的，需要根据不同类别、级别的蒸汽管道所对应适用的设计标准、规范来确定。
5 蒸汽管道的试压
蒸汽管道一般采用水压试验，在水压试验前，应将不参与管道系统试压的设备、管件（如安全阀）与管道系统分离，水压试验压力为1.5倍设计压力乘以温度修正系数，试验升压应缓慢，确保管系平缓应变，达到试验压力后，稳压10 min，无渗漏，无压降后再将试验压力降至设计压力，停压30 min，以压力不降无泄漏为合格。在某些有特殊要求或限制的场合，也可采用气压试验、初次运行压力试验等替代压力试验，但应符合相关设计规范的要求。压力试验中需要特别注意的是必须设置可靠、准确地安全泄放装置，以防止不可控情形下的试验压力失控，保障压力试验的安全进行。
6 管道的防腐保温
蒸汽管道防腐前必须彻底除锈，除锈可采用人工或机械的方式，使管道露出本色金属光泽。除可免除防腐的蒸汽管道如市政热力蒸汽管道外，蒸汽管道应至少涂刷两边防腐底漆，刷漆表面应干燥，禁止一面刷漆一面除锈，油漆应采用符合设计温度的高温防锈漆，以防止因管道表面温度高造成刷漆脱落。
蒸汽管道的保温设计施工直接影响管道运行的经济性，良好的保温结构可以减少蒸汽管道运行过程中的热损失，提高蒸汽系统的运行经济性。确定蒸汽管道保温厚度的首要条件的蒸汽管道的工作温度，蒸汽管道保温厚度一般采用经济厚度，需要注意的是当管道运行方式（季节/全年）和运行环境（室内/室外）不同时，相同运行参数蒸汽管道保温厚度的选择是不同的。当设计保温厚度较厚时，可以采用多层包覆并增加热辐射反射层的方式，可以有效提高保温性能，管道保温应在管道强度试验合格后进行，保温材料的选择应遵循下列原则：保温材料宜选用闭孔型且氧指数应符合标准要求，材料的导热系数低，具有较高的耐热性，不致由于温度急剧变化而丧失其原来的性能，材料密度小并具有一定的孔隙率。离心玻璃棉制品、硅酸铝纤维制品保温材料导热系数小，容重小，耐高温性能强，并具备一定机械强度的保温材料，在设计中应优先采用。
7 管道的坡度、焊接接口、支吊架的质量控制
蒸汽管道设计施工应采用有坡度的敷设方式，且采用顺坡即坡向与蒸汽流动方向一致，以利冷凝水的排除，减少发生水锤的可能，保障管道的安全运行。有许多施工人员对坡度不够重视，认为过热蒸汽在输送过程中不易产生冷凝水，安装中出现无坡度或干管反坡敷设，但考虑到蒸汽管道因检修或其他原因一旦停止输送蒸汽，冷凝水局部滞留，再次启动运行时，将可能产生水击，导致管道疲劳，减少寿命，引起安全隐患，故过热蒸汽管道也应采用有坡度的敷设方式。
蒸汽管道接口采用焊接式，要求焊缝尺寸符合标准，无焊瘤、咬肉、裂纹、孤坑、夹渣、气孔等现象。一般壁厚大于等于3 mm的管道对接焊缝必须先按标准要求打坡口。
管道的支、吊、托架在热力管道系统中起着非常重要的作用，合理设置支吊架，可以减小管道的一次应力，限制管道的位移量。管道的支架有固定支架、活动支架和导向支架，尤其是设计温度参数较高，公称直径规格较大的热力管道，其轴向推力较大，固定支架十分关键，不能与活动支架混淆，否则补偿器不能起到设计要求的作用甚至不起作用，后果严重。如果漏设固定支架，会造成蒸汽管道局部位移过大引起与设备连接支管位移过大，从而当支管柔性不够时导致支管与设备连接接口载荷过大，且运行中造成位移过大处滑动支架脱落，甚至会因施工过程漏设固定支架，管道盲板力或轴向推力集中于固定支架附近的管道拐弯处，引起二次应力过大，造成拐弯处管道断裂。管道托架及管托制作，必须结合管道保温厚度设计其管托高度，避免高度过小造成管道移动时保温材料的破坏。施工时，确保活动支架管托与支架顶保持平滑，减小摩擦力，必要时可采用聚四氟乙烯/镜面不锈钢摩擦付的方式以减小摩擦系数，从而减小固定支架处轴向推力。
8 应力分析
蒸汽管道设计应根据初步方案布置图建立力学模型，通过软件（CAESARⅡ）采用有限元的应力分析计算方法，分析管系、支架的位移和受力情况，应力分析计算机构主要应控制管系的一次应力、二次应力、位移及与设备连接管口处载荷、固定支架处的轴向推力均在规范要求的合理的范围内，对于有较严格的控制泄漏要求场合，还应建立法兰密封件模型，分析计算法兰密封件的载荷情况，使其载荷在允许使用范围内。如果不满足以上条件，可以采用压力等级较高的连接件，并通过结合操作使用要求现场情况调整管道敷设走向或增设支吊架、补偿器的方式，最终设计出最佳的管道布置方案。
9 结语
蒸汽管道设计的合理性，直接影响工程质量的提高，最终体现在施工成本、运行效果和使用寿命上。所以必须本着“用户至上”的根本原则，设计要从现场实际出发，确保蒸汽管道设计施工质量，做到安全、有效、节能，从而实现最大经济效益。