浅谈钢铁企业架空煤气管道的设计
Brief Discussion on the Design of overhead Gas Pipe in Iron and Steel Enterprises
Xu Zheng-xi
Abstract：This paper introduces the method of confirming the design parameters on the overhead gas pipe in Iron and Steel Enterprises,
Key Word：Iron and Steel Enterprises；Gas Pipe；Design Parameters
中图分类号：C29文献标识码： A
1、引言
钢铁企业副产煤气主要为转炉煤气、高炉煤气和焦炉煤气，这三种气体的回收与利用价值很高，但它们均为易燃、易爆、有毒气体，对企业也造成了不小的安全隐患。多年来，钢铁企业内由于管道煤气引发的生产安全事故时有发生，给企业造成了巨大损失。因此，抓好煤气管道的源头设计工作，也是安全管理的一项重要内容。本人凭借几年来的工作经验，浅谈一下钢铁企业内架空煤气管道一些设计参数的确定。
2、设计参数的确定
根据相关规范1要求，钢铁企业内煤气管道基本上都是采用架空敷设，其设计参数主要包括：设计压力、设计温度、管材、设计壁厚、管径、最大跨距和计算荷载等。
2.1、设计压力(计算压力)
1)常压高炉至半净煤气总管的管道，计算压力等于高炉炉顶的最大工作压力，净煤气总管及以后的管道，计算压力等于过剩煤气自动放散装置的最大设定压力，净高炉煤气管道系统设有自动煤气放散装置时，计算压力等于高炉炉顶的正常压力。
2)高压高炉至减压阀组前的管道，设计压力等于高炉炉顶的最大工作压力，减压阀组后的煤气管道，设计压力等于煤气自动放散装置的最大设定压力。
3)焦炉煤气或直立连续式炭化炉煤气抽气管的煤气计算压力等于煤气抽气机所产生的最大负压力的绝对值，净煤气管道计算压力等于煤气自动放散装置的最大设定压力，净煤气管道系统没有自动放散装置时，计算压力等于抽气机最大工作压力。
4)转炉煤气抽气机前的煤气管道计算压力等于煤气抽气机产生的最大负压力的绝对值。
5)煤气加压机(抽气机)人口前的管道，计算压力等于剩余煤气自动放散装置的最大设定压力。煤气加压机(抽气机)出口后的煤气管道，计算压力等于加压机(抽气机)入口前的管道计算压力加压机(抽气机)最大升压。
6)混合煤气管道的计算压力按混合前较高的一种管道压力计算。
2.2、设计温度
当管内煤气温度不小于70℃时，设计温度一般取管道内煤气正常运行时可能达到的最高工作温度。当管内煤气正常工作温度小于70℃时，考虑到夏天环境温度的影响，设计温度一般可取70℃。
2.3、管材选择
DN≤250的煤气管道可以采用螺旋焊管、焊接钢管、无缝钢管。螺旋焊管与焊接钢管材质一般为普通碳素结构钢Q235-A或Q235-B，无缝钢管一般采用优质碳素结构钢10或20。
DN≥300的煤气管道一般采用螺旋焊管或钢板卷管。管道材质一般为普通碳素结构钢Q235-A或Q235-B。
2.4、设计壁厚
为保证安全，煤气管道设计壁厚应以煤气爆炸压力计算，而不是以管道的额定工作压力或试验压力确定。煤气管道设计壁厚按下式进行计算：
(1)
式中：
―设计壁厚，mm；
―爆炸压力，Pa；
―煤气管道外径，mm；
―设计温度下的许用应力，MPa；
―焊接接头系数，见表1；
―系数，取0.4；
―裕度，mm。
表1焊接接头系数
焊接方法 φ
无缝钢管 1.0
直缝焊接钢管 0.8
螺旋焊接钢管 0.6
常温、常压条件下，各种煤气的爆炸压力分别为：高炉煤气，0.4MPa；转炉煤气，0.57MPa；焦炉煤气，0.7MPa，高焦混合煤气，0.6MPa。
同时，煤气管道的设计壁厚还应考虑下列因素：
(1)根据制作与实际生产经验，高炉、转炉煤气管道、含硫量小于20mg/Nm3的焦炉煤气管道，DN≤400，则设计壁厚不小于4.5mm；DN=500~900，设计壁厚不小于5mm。焦炉煤气及高焦混合煤气管道，DN≤400，设计厚度不小于5mm；DN=500~900，设计厚度不小于6mm。
(2)管壁厚度的裕度应包括钢板负偏差及管道的腐蚀裕度，裕度C推荐如下：高炉、转炉煤气及含硫小于20mg/Nm3的焦炉煤气管道裕度为2mm；焦炉煤气及高焦混合煤气管道裕度为3mm。
2.5、管径选择
(1) 一般要求
根据国内生产实践，焦炉煤气及混合煤气管道，流速选择不宜过低，以减少管道内积存沉淀物对管道的腐蚀。一般流速不宜小于5m/s。
车间外部焦炉煤气管道的直径选择，应考虑到冬季管道内积萘的情况(煤气已脱萘的管道除外)。南方地区(冬季采暖室外计算温度-5℃以上)，不保温管道的直径不宜小于100mm；北方地区，不保温管道直径不宜小于300mm；但进行保温的管道不在此列。采暖车间的焦炉煤气总管，南方地区不保温管道的直径不宜小于80mm。
(2) 管径的一般选择
厂区内煤气加压站前后管线不长，或煤气不需要进行加压时，可根据经济流速，按式(2)初步决定管径，然后再计算压力降，以保证用户的接点压力要求。
(2)
式中：
―管道内径，m；
―标准状态下的煤气流量，Nm3/h；
―煤气管道的经济流速，m/s。
煤气管道的经济流速可参见表2。
表2煤气管道经济流速表2m/s
煤气
种类 管道公称直径 DN
200~400 500~800 900~1200
高炉、转炉煤气 4~6 6~10 9~12
焦炉
煤气 6~10 8`~14 14~20
1300~1500 1600~2000 ＞2000
高炉、转炉煤气 11~14 12~16 ＞14
焦炉
煤气 14~20 ＞16 ＞16
混合煤气的流速介于表中数值两者之间。表中数值，仅是一般情况下推荐的经济流速。如压力降允许，流速可选取更高数值；如压力降不允许，流速应取较低数值。
煤气管道的压力降包括直管段压力降与局部阻力之和。直管段压降可按式(3)、(4)进行计算，局部阻力可按直管段压力降的10%~15%计取。
对于低压燃气管道(P＜0.01MPa)
(3)
对于高、中压燃气管道(P＞0.01MPa)
(4)
式中：
―管道始端绝对压力，kPa；
―管道始端绝对压力，kPa；
―管道长度，km；
―燃气绝对温度，K；
―标准状态绝对温度，K；
―燃气密度，kg/m3；
―管道沿程摩擦阻力系数。
其它符号的意义与单位同式(3)。
2.6、管道最大跨距
为充分发挥管材的作用，同时又保证管道的安全运行，应合理计算管道相邻支架间的跨距。
根据相关规范规定3，水平管道支吊架最大间距应满足强度和刚度条件。强度条件是控制管道自重弯曲应力不应超过设计温度下材料许用应力的一半。刚度条件是限制管道自重产生的弯曲挠度，一般管道设计挠度不应超过15mm。装置外管道的挠度允许适当放宽，但不应超过38mm。
(一)按强度条件确定管道支吊架允许跨距
管道自身弯曲应力不应超过管材的许
用应力的一半，以保证管道的安全。
对于连续敷设、均匀载荷的水平直管，支吊架最大允许跨距按式(6)确定。
(5)
式中：
―支吊架最大允许跨距，m；
―管道单位长度计算载荷，N/m；
―管道截面系数，cm3；
―管道在设计温度下的许用应力，Mpa；
―管道单位长度计算载荷，N/m；
―管道横向焊缝系数；见表3。
表3管道横向焊缝系数
焊接情况 焊接系数 φ
手工有垫环对焊 0.9
手工无垫环以焊 0.7
手工双面加强焊 0.95
自动双面焊 1.0
自动单面焊 0.8
(二)按刚度条件确定管道支吊架允许跨距
管道在一定跨距下总有一定的挠度，
由管道自重产生的弯曲挠度不应超过15mm。装置外管道的挠度允许适当放宽，但不应超过38mm。
对于连续敷设、均布荷载的水平直管支吊架最大允许跨距按式(6)确定。
(6)
式中
―管道在设计温度下的弹性模量，Mpa；
―管道的截面二次矩，cm4；
―管道的设计挠度，m。一般取0.015；装置外管道取0.038；
其它符号的意义与单位同式(5)。
(三)对于不允许积液并带有坡度的管道，支吊架间距除应满足强度和刚度条件外，它与挠度及坡度之间的关系还应符合下式的要求：
(7)
式中：
―管道坡度，对于室外管道一般取0.005；对于室内管道一般取0.003。
其它符号的意义与单位同式(5)、(6)。
煤气管道直管段支吊架间最大跨距为上述(一)~(三)原则确定的最大允许跨距的最小值。
(四)水平弯管管道支吊架允许跨距
水平90°弯管两支吊架间的管道展开长度，不应大于上述(一)~(三)原则确定的水平直管段上支吊架最大允许跨距最小值的0.73倍。
(五)尽端直管支吊架允许跨距
尽端直管两支吊架间的管道长度不应大于上述(一)~(三)原则确定的水平直管段上支吊架最大允许跨距最小值的0.81倍。
2.7、计算荷载
煤气管道的计算荷载包括两方面：事故荷载和附加荷载。
(1)事故荷载系管道金属重量与事故积水之和。事故积水按下列要求进行计算。
水平煤气管段DN＞500净煤气管道的事故荷载按积水高度500mm计算，DN≤500的管道，按全部充满水计算。
正常操作荷载为：DN≤300的煤气管道，以充满管道断面的30%计算；DN≥350的煤气管道，按积水高度100mm计算。
拱形、门形与突高的煤气管段事故荷载一般按水平管段的正常操作荷载计算。
(2)附加荷载包括雪荷载、外加管道重、平台荷载等，已有的附加荷载按实际情况计算，其余荷载按下列参数计算。
平台的计算荷载管道附属设备的操作平台按200kg/m2计算，敷设在管道上仅作为走行的平台按150kg/m2计算。
敷设在煤气管道上的其它管道称为外加管道，其水压试验时的荷载按其中较大一根管道计算。
3、结语
合理地选择煤气管道的设计参数，不仅有利于降低企业工程项目的成本，而且有效地减少了煤气管道在日后运行中的安全隐患，应当引起我们的足够重视。
