引言随着城市的迅速发展，新兴的工业园区逐渐发展壮大，园区生产企业对提供生产动力的蒸汽需求日益增多。蒸汽是工业生产公用工程中的一种专用介质，通过公用管道从热电厂输送至工业园区。目前在工业园区蒸汽管道设计中主要采用架空敷设，在对国土空间规划有更高要求地区则采用直埋敷设。但由于蒸汽管道多输送的是高温、高压的过热蒸汽，因此蒸汽管道一般受压力和温度的影响。蒸汽管道长期运行易产生受热膨胀和支吊架失稳，蒸汽管托热位移，将造成支架脱空，引起整个系统受力的变化，使局部应力过大，产生破坏。文章以实际项目为背景，分析了架空蒸汽管线在穿越特殊节点处时，几种设计方案以及不同方案的应力情况，为相关的架空蒸汽管线长跨越设计提供参考。1工程设计案例（1）工程概况。沧州某蒸汽管线工程电厂出口压力为1.6 MPa，出口温度为300 ℃。末端用户最大用气量为122 t/h，用气压力为1.1 MPa，用气温度195 ℃。该蒸汽管道总管路长度为7.4 km，采用架空敷设，支架大多采用低支架，跨越处采用桁架。（2）水力计算情况根据电厂出口及用户条件，采用AFT-Arrow软件建模，保温采用耐高温超细玻璃棉，保温层厚度160 mm。工作钢管管径采用DN500（φ529 mm×9 mm）试算，经计算在最大工况（压力1.217 MPa、温度278.2 ℃），平均工况（压力1.347 MPa、温度276.8 ℃）和最小工况（压力1.424 MPa、温度274.4 ℃）3种情况下，该管径及保温厚度，均能保证用户末端用气参数需求。2长跨越案例（1）情况一。该处需要跨越长度约200 m，现场该处不允许低架空，200 m均为高桁架，敷设高度为7.5 m。根据该处特点，设计时采用两侧装旋转补偿器，中间位置设置高固定，蒸汽管线受热向两侧热伸长，由两侧旋转补偿器吸收位移。敷设方式如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.016.F001图1情况一管道布置平面图（2）情况二。该处跨越公路，跨越长度为39 m，高度为8 m。由于高度较高，垂直臂长较长，设计时采用了方形补偿，为解决该处热位移，方式补偿转为低支架处，两侧设置固定。敷设方式如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.016.F002图2情况二管道布置立面图（3）情况三。该处跨上下均有障碍物，跨越长度为35 m，高度为4.5 m，结合该处特点，由于上下均有障碍物限制，垂直臂长受到限制，设计时两侧垂壁采用了横向大拉杆补偿器，解决该处热位移，方式补偿转为低支架处，两侧设置固定。敷设方式如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.016.F003图3情况三管道布置立面图3应力分析以上3种情况采用俄罗斯应力计算软件START进行建模计算。START用于静载和循环载荷作用下各种管道系统的应力分析，是压力管道工程师应力分析工作中不可或缺的工具。START软件主要由3个计算模块组成：3D管道（针对管线的整体应力分析）、元件（管道、管件、特定管形的强度计算）、服役寿命计算（用于评定在役管线的剩余寿命），能够较好地计算出管道应力情况、位移情况及约束处受力情况。模型选用应力分析规范为《发电厂汽水管道应力计算技术规程》（DL/T 5366-2014），安装温度10 ℃，服务年限30年，试验介质为水，试验温度20 ℃。（1）情况一。情况一管道应力计算模型如图4所示。情况一经建模计算后，管道应力大部分约为39 MPa，二次应力大部分约为4.1 MPa，在规范要求范围内，管道运行时应力均在最大范围的30%以内。由于距离较长，介质温度较高，热伸长较长，由START应力计算软件计算的位移量为420 mm，两侧旋转补偿器能较好的吸收热伸长，旋转补偿器的补偿原理与铰链型波形膨胀节相似，要用2个或者2个以上的补偿器组合，利用其角位移的变化才能补偿位移。旋转补偿器是由旋转管的旋转产生角位移的，需要1个力（由管道热膨胀产生）和1个力臂形成1个力矩才能推动其旋转。因此，它不能与管道中心线同心，而应与其垂直，这样才能通过设置1个力臂连接2个旋转补偿器。当一端管道热膨胀推动力臂沿1个旋转补偿器旋转时产生1个力矩，连接力臂另一个的旋转波纹补偿器产生1个反力矩，一对力矩大小相等，方向相反，形成力偶，达到力的平衡。旋转角度越大、力臂越长，其补偿量越大。对于单个旋转补偿器来说，回转角度是可以任意的，但由2个旋转补偿器与力臂、管道组成连杆机构时，就要考虑这个机构是否会相碰或者卡死。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.016.F004图4情况一管道应力计算模型图热膨胀时使旋转角度小于90°，冷收缩时才能返回原来的位置。同时，旋转时，还要克服摩擦力，要留出足够的裕度，一般取20°~45°，具体视其布置方式和管径大小而定，管径小时取较大值。同时，力臂较长时产生的横向位移较大，可能会使管道产生弯曲破坏。为了增加补偿量，在安装管道时，采用预变位的方法，即反方向旋转所需角度的一半。因为旋转补偿器没有波形膨胀节的疲劳寿命问题，可把旋转角度的允许值提高一倍，这样也可以减少摩擦力，增强管道的稳定性。旋转补偿器的优点是不产生内压推力，没有波纹管的刚度要求，厚度可以稍厚一些，特别适用于高压力和大补偿量的补偿器。桁架上应设置导向支架，以保证管道的轴向性。（2）情况二。情况二管道应力计算模型如图5所示。情况二经建模计算后，管道应力大部分约为38 MPa，二次应力大部分约为16.7 MPa，均在规范要求范围内，管道运行时应力均在最大范围的30%以内。由于距离较长，介质温度较高，热伸长较长，弯头处位移量96 mm，臂长较大的方形补偿器也能较好地吸收管道热变形。由于本项目温度较高，桁架两侧管道出现了脱空现象，脱空距离约40 mm，管道脱空会造成刚性支架无法承受管道垂直荷载，该荷载会转移附近支架，造成过载。采用该种形式跨越时，应合理的设置弹簧支吊架，通过弹簧形变解决该处脱空，使管道支架均匀受力，解决脱空问题。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.016.F005图5情况二管道应力计算模型图（3）情况三。情况三管道应力计算模型如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.016.F006图6情况三管道应力计算模型图情况三前期设计时先采用了方形补偿器，但经建模后无法满足设计要求，出现管道应力超过最大允许范围的问题。为此在两侧垂壁安装横向补偿器，经建模计算后，管道应力均在规范要求范围内，管道运行时应力均在最大范围的30%以内。但该种情况同情况二类似，出现了脱空情况，应合理地设置弹簧支吊架。横向大拉杆波纹补偿器是由2个相同的波纹管和端管、端板和拉杆组成的构件。波纹管的角度偏转可以吸收管道的单个或多个平面的横向位移，4根长杆可以承受内部压力推力和其他额外的外力，杆两端的螺栓在出厂前已经过调整。安装前大拉杆是松动的。如果补偿器工作变形，大杆可以限制变形，起到保护波纹管的作用。该补偿器可以补偿弯曲管段的横向位移和量值不大的角位移，大拉杆横向型波补偿器通常不用来补偿角位移。大拉杆横向型波补偿器由接管、2个波纹管以及大拉杆等零件构成。横向型大拉杆补偿器能吸收管系任意平面内的横向位移。4结语（1）当跨越长度较长，两侧有垂直空间时，两侧设置旋转补偿器能较好地解决管道跨越及补偿问题，管道运行工况下整体应力较小。（2）跨越公路时，垂直空间不受限制，采用自然补偿可以较好地解决管道跨越及补偿问题；但应结合跨越长度，关注管道脱空情况，合理的选择弹簧支吊架。（3）当垂直空间上下受到限制时，自然补偿垂直臂长无法满足要求，可在两侧垂壁安装横向大拉杆补偿器；但同样应注意管道脱空问题，合理地选用弹簧支吊架。