淺析熔體管道材料設(shè)計(jì)

林 揚(yáng)

福陸（中國(guó)）工程建設(shè)有限公司（上海 201103）

工作研究

淺析熔體管道材料設(shè)計(jì)

林 揚(yáng)

福陸（中國(guó)）工程建設(shè)有限公司（上海 201103）

通過(guò)總結(jié)大型化工項(xiàng)目中的工程經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)介紹了熔體管道系統(tǒng)中管道、法蘭、墊片和閥門(mén)的設(shè)計(jì)及選用，為熔體管道材料工程設(shè)計(jì)提供了可靠的設(shè)計(jì)參考。

熔體 管道 法蘭 墊片 閥門(mén)

熔體管道系統(tǒng)在聚酯、尼龍等化纖裝置中有著的廣泛應(yīng)用。熔體介質(zhì)具有高溫、高壓、高黏度、易凝固等特性。鑒于這種特性，熔體管道的設(shè)計(jì)需采用夾套管，內(nèi)管走熔體介質(zhì)，外管走高溫?zé)嵊停悦馊垠w介質(zhì)在輸送過(guò)程中溫度降低發(fā)生凝固。

1 熔體管道的設(shè)計(jì)

由于熔體介質(zhì)對(duì)清潔度的要求較高，所以通常熔體管道系統(tǒng)選用不銹鋼作為主材，304、304L、1.4301、1.4541等都是常選的材料。由于熔體黏度很高，輸送壓力大，所以為了防止粘料和滯流，夾套管內(nèi)管的內(nèi)表面要作拋光處理。舉例來(lái)說(shuō)，在某聚酯項(xiàng)目中，介質(zhì)聚合物熔體，設(shè)計(jì)壓力30MPa、設(shè)計(jì)溫度320℃，夾套內(nèi)管選用德標(biāo)1.4541，無(wú)縫、熱軋，固溶酸洗狀態(tài)交貨，管道內(nèi)徑公差要求±0.1mm,壁厚公差要求+12.5%，內(nèi)表面清潔光滑無(wú)毛刺，表面質(zhì)量參照DIN4763-1981，平均粗糙度Ra=3。同時(shí)為了使流道更為平緩，便于熔體介質(zhì)流動(dòng)，管道變向處選用了彎曲半徑3D的彎管，而不是1.5D的普通彎頭。

2 熔體管道法蘭的選配

由于熔體管道是夾套管，法蘭也必須選用夾套法蘭，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)通常選用HG/T20615—2009附錄B鋼制夾套法蘭中的帶頸對(duì)焊夾套法蘭（見(jiàn)圖1）。

國(guó)外有些專(zhuān)利商根據(jù)不同的工藝要求設(shè)計(jì)成半加熱夾套法蘭（見(jiàn)圖2）和全加熱夾套法蘭（見(jiàn)圖3），這種全夾套法蘭可以出圖在國(guó)內(nèi)法蘭廠定制，國(guó)外也有專(zhuān)門(mén)的生產(chǎn)廠家如MHW。

另外，由于普通三通上焊接法蘭的連接方式法蘭面離主管中心的距離太長(zhǎng)，為了配合熱電偶或柱塞閥等的安裝要求，通常選用塊狀法蘭，設(shè)計(jì)中主要有圓的和方的兩種。圓的塊狀法蘭（見(jiàn)圖4）焊接難度較大，且角焊縫不能作射線(xiàn)探傷，故此推薦使用在中低壓介質(zhì)中。方的塊狀法蘭（見(jiàn)圖5）是鍛料直接機(jī)加工，強(qiáng)度高、質(zhì)量好，但重量稍大，如一定要夾套里的熱媒穿過(guò)，需要鉆深孔，如果內(nèi)外管口徑差距小，則不能鉆孔。

3 熔體管道墊片的選擇

熔體管道一般盡量減少法蘭的使用，采用焊接的方式連接。但是和閥門(mén)、儀表、設(shè)備管口對(duì)接的時(shí)候難免會(huì)采用法蘭密封，這就涉及到密封面和墊片的選擇。由于石墨會(huì)污染熔體介質(zhì)，而熔體管道溫度又很高，非金屬材質(zhì)不能滿(mǎn)足要求，所以一般選擇金屬墊片，密封面可以選擇環(huán)連接面，如果工藝對(duì)管道內(nèi)部平整度要求非常高，那么推薦選用透鏡墊片（見(jiàn)圖6）。

透鏡墊片是一種類(lèi)似于金屬環(huán)墊的全金屬密封元件。透鏡墊片用于高壓的場(chǎng)合，法蘭的兩密封面組成了一個(gè)角度為140°的圓錐型空間。密封面的尺寸隨著載荷的增加而增加，接觸面的壓縮量相應(yīng)地不規(guī)則增加。透鏡墊片通?？啥啻问褂?，因其變形均在塑性變形范圍內(nèi)。透鏡墊的標(biāo)準(zhǔn)是DIN2696-1999。值得注意的是，與所有金屬墊片一樣，透鏡墊圈材料應(yīng)該比法蘭材料軟，以確保施加的壓縮負(fù)荷引起透鏡環(huán)的彈性和塑性變形，而不是法蘭密封面的變形。所以在墊片的采購(gòu)技術(shù)規(guī)定里要對(duì)墊片的硬度作出具體要求，同時(shí)在法蘭、閥門(mén)、設(shè)備、儀表的采購(gòu)技術(shù)規(guī)定里也要提出相對(duì)應(yīng)的法蘭密封面的硬度要求。另外，透鏡墊密封的法蘭面常常是在原凸面法蘭上加工的，原因是閥門(mén)、儀表或設(shè)備在制造廠里作壓力試驗(yàn)的時(shí)候可以不用透鏡墊密封而采用別的方便采購(gòu)的墊片，比如纏繞墊。

另外，由于透鏡墊和法蘭的接觸面積非常小，產(chǎn)生的密封壓緊力高，而需要的螺栓扭矩卻比通常的纏繞墊小很多，為了安裝墊片后能達(dá)到良好的密封效果，需要廠家提供螺栓扭矩表供施工方安裝使用。

4 熔體閥門(mén)的選擇

由于柱塞閥（見(jiàn)圖7）具有無(wú)死區(qū)的特點(diǎn)，所以在熔體管道系統(tǒng)中被廣泛使用。適用于反應(yīng)釜、容器或管道底部，用以放料、沖洗或取樣。柱塞閥主要優(yōu)點(diǎn)是柱塞頂端形狀與管道或設(shè)備內(nèi)表面完全吻合，閥門(mén)對(duì)介質(zhì)的流動(dòng)不構(gòu)成任何干擾。閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，柱塞邊升降邊旋轉(zhuǎn)，消除緩流區(qū)，在啟閉瞬間，壓力不急劇波動(dòng)。對(duì)于高壓柱塞閥門(mén)內(nèi)表面需作拋光處理，要求不粘料、不滯流。常溫低溫工況閥座可選軟密封，高溫工況采用金屬密封閥座。柱塞閥支管角度通常為45°或60°,也可以選擇是否要夾套。有時(shí)功能要求改變介質(zhì)流向，控制多路介質(zhì)的合流或分流，柱塞閥還可以做成三通、四通，甚至七通，該類(lèi)閥門(mén)又叫熔體分流閥。

4.1 柱塞閥結(jié)構(gòu)形式的選用

按結(jié)構(gòu)形式分，柱塞閥有柱塞伸出型（見(jiàn)圖8）和閥體伸出型（見(jiàn)圖9）。柱塞伸出型需要設(shè)備管嘴內(nèi)徑、管道法蘭的內(nèi)徑和它匹配，否則會(huì)有空隙，會(huì)產(chǎn)生積料，如果介質(zhì)黏度高或易凝結(jié)會(huì)造成堵塞，閥門(mén)不能打開(kāi)。對(duì)于新建裝置設(shè)計(jì)時(shí)要協(xié)調(diào)好設(shè)備制造商和配套管道法蘭的制造商。相反如果是改造項(xiàng)目，設(shè)備折舊，或新建裝置設(shè)備是進(jìn)口的或因其他種種原因設(shè)備口無(wú)法定制，為了與設(shè)備口配合應(yīng)選用閥體伸出型，由閥門(mén)廠家與設(shè)備口匹配。當(dāng)然新建裝置選用閥體伸出型也沒(méi)有問(wèn)題。相比較而言，閥體伸出型應(yīng)用范圍更廣，從以往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)來(lái)看選用得也比較多。

按閥座結(jié)構(gòu)分，有可拆卸型閥座和整體閥座兩種，相對(duì)而言可拆卸型制造成本較低，對(duì)于廠家來(lái)說(shuō)閥體本身可以標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，閥座的長(zhǎng)度外徑可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，而整體閥座型閥門(mén)由于頂部伸出長(zhǎng)度和外徑不同，每個(gè)閥門(mén)都要單獨(dú)設(shè)計(jì)制造。但整體閥座的密封可靠性和耐用性比可拆卸型閥座要好，通常用于關(guān)鍵部位。

4.2 柱塞閥采購(gòu)的注意事項(xiàng)

采購(gòu)柱塞閥時(shí)注意提清楚技術(shù)要求，為了讓柱塞頂端和管道內(nèi)徑完全匹配，柱塞頂端需是弧形的，曲率半徑為R（見(jiàn)圖10），如果介質(zhì)要求不高或是裝在罐底基本平坦部位，柱塞也可平頂，頂部和主管內(nèi)徑外緣成切線(xiàn)。配套的塊狀法蘭可以要求閥門(mén)廠家配套供應(yīng)，這樣公差比較好控制，現(xiàn)場(chǎng)直接焊接在管道上就可以了。

5 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)熔體系統(tǒng)中管道、法蘭、墊片及閥門(mén)的介紹，可以看出對(duì)于熔體系統(tǒng)的管道材料設(shè)計(jì)要充分考慮介質(zhì)的特性、壓力的高低和是否安裝于系統(tǒng)的關(guān)鍵部位等各方面因素，才能使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)既能滿(mǎn)足工藝要求又能節(jié)省項(xiàng)目投資。

[1] 宋移團(tuán).PET熔體直紡?qiáng)A套管的設(shè)計(jì)[J] .聚酯工業(yè), 2010,23(2):52-54.

[2] 宋凱卓.直紡熔體輸送管道的設(shè)計(jì)[J] .聚酯工業(yè),2006, 19(5):5-7.

[3] DIN 4763- 1981. Progressive ratio of number values of sur-face roughness parameters[S].

[4] HG/T20615—2009鋼制管法蘭[S] .

[5] DIN 2696- 1999 Lenticular ring joint gaskets for flanged joints[S].

Analysis on Material Design for Melt Pipeline

Lin Yang

Summarized the experience of large chemical engineering projects, introduced the design and selection of pipeline, flange, gasket and valve for the melt pipeline system in detail, which could provide reliable reference for the en－gineering design of materials for melt pipeline.

Melt; Pipeline; Flange; Gasket; Valve

TQ323

2014年6月

林 揚(yáng) 男 1980年生 工程師 主要從事壓力管道材料設(shè)計(jì)