摘要：在化工工程中许多工艺需要将原料加热并在高温下反应，此过程中输送工艺介质的管道均是高温管道，由于输送压力不高，因此管线口径普遍较大。高温管道的热膨胀量的消除是安装的重点，高温管道材质多选用耐热钢和耐高温不锈钢，焊接参数的控制也是主要控制点。本文主要就以lummus工艺的丙烷脱氢装置高温管系的安装进行分析。
关键词：高温管道；热膨胀量；焊接工艺；支架安装
1高温管系的制作
1.1焊接注意事项
丙烷脱氢的高温管系主要A358 GR.321H CL1（321H）及A691 2 1/4Cr CL42（P22）材质组成，管系的设计温度为最高为704℃，这两种材料具有较好的耐高温性能，管道焊接需要考虑到焊接的影响。
（1）高温的管道（321H）材质的管道焊接应选用焊接线能量集中的焊接方法，快速焊接，焊接坡口应采用窄焊缝结构；焊接时应采用低氢型细焊条（丝）、小电流、小的焊接能量、多层多道焊、每层焊缝的交接处应错开、避免层间温度过高，严禁采用粗焊条（丝），大电流、大线能量方式焊接，以避免焊接接头的过敏化，减少焊缝在敏化温度区（450-850℃）的时间，防止碳与铬结合，形成碳化物造成晶间贫铬，产生晶间腐蚀，保证焊缝中的碳含量及较粗大的晶粒度。无损检测合格后对焊口进行酸洗钝化，焊接此类材质的焊接工艺评定中应对敏化处理后的焊接接头进行晶间腐蚀试验。
（2）铬钼合金钢的焊接则遵循焊接工艺的要求，打底焊使用钨极气体保护焊时选用铈钨极。焊前进行预热，预热温度≥150℃，管道预热采用电加热法在坡口两侧均匀进行放置局部过热，预热范围不小100mm。焊接采用多层焊，并且接头错开，不能立即进行焊后热处理的需要进行后热，温度200-350℃，保温时间不小于30min。
1.2管材的下料加工
（1）管道的下料切割应尽量采用机械加工，特别是A691 2 1/4Cr CL42材质的管道，如果采用火焰切割的方法，需要进行坡口的打磨并对坡口进行着色检查。（2）大管径管道的坡口尽量选择双面坡口。保证焊接的质量。
（3）管道管径过大需要使用专用的自动管道切割坡口机（坡口机的加工直径可达2500mm）进行加工可以保证施工质量及提高施工效率。
图1 适用于现场切割的管道坡口、切割机
1.3直管段的制造要求
大口径管及管件是由板材卷制焊接而成，因此每段管段的长度由所供板材的板宽决定，因运输等原因，板宽一般选用2-3m之间。下料时对每种板材进行规划排版，可以减少材料的浪费，减少焊缝数量，从而减少了管线的残存应力和焊接变形。321H材质的管材及管件焊接完成后需要进行固溶处理+稳定化处理，并按照ASTMA262的方法E进行敏感状态下的晶间腐蚀试验。最后表面在酸洗池中进行酸洗钝化。对于直管应为一条纵焊缝，较大口径管可有两条纵缝，纵缝应大约相距180°，管件大于DN500的拼接可以有两条焊缝，不得有十字或T型焊接缝，用于制作的钢板需要进行100%超声波检验，从源头确保管系的实体质量。
图2 管件焊缝排版及加工要求
2高温管系的安装
高温管系的引起内部介质温度较高，冷态及热态状态相差极大，材料的膨胀收缩量较大，如不能及时抵消这部分力则会对管道自身及结构框架造成损坏，影响装置运行，甚至引发事故。根据热膨胀的简要公式（如下所示），粗略计算（操作温度为685℃）每米的钢管膨胀量为11.88mm。设备管口距离为10m，则膨胀量为118.8mm。
△l=α（t1－t2）
式中：△l-钢管轴向伸长，mm；
α-不锈钢线性膨胀系数，约0.018mm/m℃。
因此安装重点在于管道消除应力装置的安装质量。消除热位移的方式多为增设膨胀节，丙烷脱氢装置的高温管系就在设备接口位置设置了多个膨胀节，用来调整水平方向的热位移，抵消对设备法兰的拉（压）力保证法兰的密封性及设备的水平度。管道的垂直方向的力可以使用弹簧支架进行调节。管道的定位及重量支撑方面支吊架安装也是管线平稳运行的关键点。本文就高温管系安装中膨胀节和支、吊架的安装进行简要的分析说明。
2.1管道膨胀节的安装
膨胀节的主要样式见图3所示，膨胀节安装时要对其保护支撑进行防护，禁止在装置开工前去除或松开保护装置。膨胀节的波纹管处使用较薄的钢板制作而成，不能承受较大外力要对其进行严格的防护。
膨胀节安装位置多设置在设备口的两侧，用于平衡管道热位移对设备的影响，膨胀节具有方向性，按照膨胀节上的标示及管道介质的流向确定安装方向，焊接前每个膨胀节的方向进行确认。因此膨胀节的安装位置要精确，膨胀节于管道的同心度要进行控制，水平直管需要在一条直线上，同轴度不能超差，否则受力不均会对膨胀节造成损伤。为了保证同轴度，现场设置对口器，减少管道的错边量。膨胀节于管件的焊接可作为预制口进行施焊，膨胀节位置的调节由直管段的预留余量进行调整。膨胀节预制时不可在膨胀节上施加外力，组对焊接时，膨胀节要进行支撑，避免膨胀节悬空受力。焊接时采用自动焊，或是2名焊工对称焊接减少焊接变形量。焊接时将管道和膨胀节放置到滚轮架上，根据焊接速度进行转动，提高焊接效率。膨胀节焊接完成后运输及放置时设置鞍座或临时支撑防止产生变形。
图3 膨胀节的主要形式
设备安装完成后将立管的法兰安装到设备法兰上，将法兰把紧，将立管与焊有膨胀节的横管进行焊接，通过对接法兰位置定位膨胀节的位置。安装焊接时先将支架安装到位，防止对设备产生拉力。焊接法兰采用两名焊工对称施焊，采用适中电流，快速焊接。施焊完成后按此方法依次连接其余各台设备的管道。
膨胀节另一端与管道的焊口为固定焊口，固定焊口焊接注意焊接线能量的控制及焊条摆动的位置。安装从一端向另一端一个方向开始安装，保证管线沿一条直线进行施工。
水平管上的管道膨胀节因需要平衡竖直管道的热位移量在冷态状态下设置预偏，及将与膨胀节和之间的的直管部分预拉到一定角度进行焊接，带管道受热后此部分管道就会因热位移的作用变为水平。此部分的预偏值按照设计给定的数值设定。此部分直管段的下料考虑预偏角度，避免焊缝应力的集中。
管道安装完成后在管道试车前将膨胀节的保护装置拆除，让膨胀节处于自动状态。检查各个膨胀节的指针，并做好记录。带开车运行后在进行记录，查看每个膨胀节的位置变化。
2.2支架的安装
高温管道的支架多为弹簧支吊架，用于平衡管道的热位移，图4、图5为管道支架的几种形式。每个管段支架均有自己的编号及安装要求。因此支架的位置及安装数值一定要符合设计的要求。待管道支架安装完成后还需要对着各项数值重新调整。管道安装后没调整一个支架都会对相邻的支架产生影响，因此调整支架需要整个系统的进行调整才能保证整个管道支架的安装要求。
图4 管道弹簧支吊架
图5 限位用浮动环支架
管道支架需要在焊接管道时一并将支架的支撑及限位挡块焊接到管道上。焊接工艺与工艺管道焊接相同，焊接时流应控制在保证铁水拉得开，熔池清晰，熔合良好，在此前提下，提高焊接速度，减少焊层厚度，达到降低焊接线能量的目的。对焊接的位置要进行PT检查，符合NBT47013-2015标准要求，焊接护板的地方需要进行气密试验保证焊接质量。
低摩擦滑动支架需要保证摩擦面的清洁，在安装前要进行确认清理。支架的限位挡块要根据管道支腿的位置最后进行焊接固定。管道支架需要预偏安装的需要根结构定位，画出中心线后将管道支架中线位置进行相应的偏装。
弹簧安装前所有的定位块进行固定，不得拆除、松动。并且记录好弹簧指针的位置。预偏装的弹簧（图4所示）先再弹簧垂直时记录好管道的相对位置，然后在管道上画出偏移后的位置，将管道支架固定到偏移后的位置进行焊接固定。
浮动环支架（如图5）由活动拉杆，定位环板，及连接耳板组成。通过调整调节螺杆的长度控制管道膨胀量，保证管道位置的稳定。环板的内环板直径不得有负偏差，与管道的间隙为10mm。环板分为两个半圆到货，方便现场的安装，安装、调试完成后将螺栓连接板焊死。浮动环支架与管道靠焊接在环板两侧的耳板进行连接。耳板与管道焊接需要均布且与环板垂直，将管道平置在托架上，找平后使用软尺将管道等分，画出等分线后将耳板点焊，耳板采用双面V型坡口，双面满焊。焊接时控制能量输出，做好防变形措施，避免耳板变形，保证耳板垂直于环板，另外避免管道外壁应力集中。
管线安装完毕试压合格后对各个支架进行调整，每个支架的偏转距离及弹簧限定位置进行记录并按照给定的数值调整到位。调整时需要先调整大管道支架，先调整距离设备近，然后向外扩散，先调整固定支架后调整活动支架，从下向上的顺序进行调整。每条相连的管线作为一个系统进行调整，逐个系统调整，调整后填写支吊架安装记录做好标示。
3、结论
通过高温管系的设计、安装思路，做好管道组成件的焊接质量控制及管系热膨胀量的消除装置的安装工作是保证系统平稳运行的关键。管道的焊接按照已有的工艺评定，通过现场的实际情况设置专用的焊接工具，提高焊接速度，降低线能量，保证焊缝质量。管系中的膨胀节安装保证位置准确性及管道的同轴度。管道安装过程中支架也要同时安装到位，承担管道的重量，避免受力不均损坏膨胀节及焊口产生内部应力。最后需要在运行前调整管系的支架，确定各点的偏移量及受力值，保证管道在高温工况下长久的稳定运行。
参考文献：
[1]《乙烯装置离心压缩机组施工及验收规范》 SHT 3519-2013.
[2]《石油化工有毒、可燃介质钢制管道工程施工及验收规范》SH 3501-2011.
[3]李立碑 孙玉福 《金属材料物理性能手册》2011-05.
论文作者:边培亮
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/23
标签：管道论文; 支架论文; 膨胀节论文; 高温论文; 位置论文; 法兰论文; 弹簧论文; 《基层建设》2019年第13期论文;