淺析空分冷箱內(nèi)小管道的設(shè)計(jì)

宋軍帥，周金娟，尹本寬

(開封空分集團(tuán) 設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 開封 475000)

·工藝與設(shè)備·

淺析空分冷箱內(nèi)小管道的設(shè)計(jì)

宋軍帥，周金娟，尹本寬

(開封空分集團(tuán) 設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 開封 475000)

闡明了空分冷箱內(nèi)小管道的設(shè)計(jì)重要性，論述了各類型小管道的設(shè)計(jì)要點(diǎn),對(duì)小管道的支撐和保護(hù)做了簡(jiǎn)要介紹。

空分；冷箱；小管道設(shè)計(jì)；分析；保護(hù)

0 概述

隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，鋼鐵冶金、石油化工、煤化工和大型化肥等企業(yè)對(duì)氧、氮、氬的需求量急劇增加，從而帶動(dòng)空分產(chǎn)業(yè)向大型化及特大型化發(fā)展。

隨著空分等級(jí)的增加，冷箱內(nèi)管道的直徑也在逐步增大。由于考慮工業(yè)上放大效應(yīng)的影響，人們通常把大部分的精力集中于關(guān)注大管道和復(fù)雜管系的應(yīng)力分析上，而忽略了小管道的精細(xì)化設(shè)計(jì)。

對(duì)于工程管道而言，小管道不作為設(shè)計(jì)要點(diǎn)，只要求現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)流程配置即可。但對(duì)于冷箱內(nèi)的管道設(shè)計(jì)，大口徑管道和復(fù)雜管系應(yīng)重點(diǎn)設(shè)計(jì)，同時(shí)也要對(duì)小管道的布置有足夠的重視。因?yàn)椴徽摴艿赖拇笮?，只要管道泄漏、堵塞或不滿足工藝需要，嚴(yán)重時(shí)都要停車扒砂檢修，給業(yè)主帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 冷箱內(nèi)小管道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

通常認(rèn)為，小管道是指公稱直徑小于80的各類管道。由于冷箱內(nèi)超低溫運(yùn)行的特點(diǎn)，本文小管道的材質(zhì)僅為不銹鋼和鋁合金。

1.1 小管道的工藝設(shè)計(jì)

對(duì)于空分冷箱配管設(shè)計(jì)而言，小管道通常為設(shè)備及管道的吹除排放管、液體產(chǎn)品管、不凝氣管、加溫充氣管和某些大管道的支管。就不同的工藝用途，管道設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)有所不同。

對(duì)于內(nèi)壓縮流程而言，在某些吹除排放管道出冷箱后，要連接互相連通的閥組。閥組管系復(fù)雜，且需安裝在便于操作和檢修的位置，還需兼顧美觀。故此處小管道的設(shè)計(jì)需與外部管道統(tǒng)籌考慮，既滿足工藝要求，又能使管道設(shè)計(jì)合理美觀。

液體產(chǎn)品管和吹除排放管，在出冷箱的位置，都需要加設(shè)氣封，以減少空分裝置冷量的損失。此處氣封的形式和高度應(yīng)符合國(guó)家規(guī)范并結(jié)合配管設(shè)計(jì)的實(shí)際情況。氣封過高，可能會(huì)導(dǎo)致與管道相連的冷箱外閥門過高，給閥門的安裝、操作和檢修帶來不便。氣封過低，在工況不穩(wěn)、壓力波動(dòng)或某些極端工況，甚至在正常工況下，外界的熱量持續(xù)進(jìn)入或低溫液體漫過氣封，導(dǎo)致冷箱結(jié)霜。

主冷處不凝氣管道設(shè)計(jì)時(shí)，在出設(shè)備管口的地方需要加設(shè)一個(gè)倒U形彎，U形彎最高點(diǎn)高度要高于下塔氮?dú)膺M(jìn)主冷的管口，防止在液氮回下塔閥門全關(guān)時(shí)，主冷內(nèi)液氮液位上升導(dǎo)致低溫液體流入不凝氣管道。

冷箱內(nèi)加溫充氣管道，主要有兩個(gè)作用。一是為了防止空分裝置開車運(yùn)行時(shí)，冷箱內(nèi)溫度逐步降低，空氣冷縮造成的負(fù)壓。二是為了在裝置運(yùn)行時(shí)保持冷箱內(nèi)200～500 Pa的微正壓，防止?jié)窨諝饧翱諝庵械乃衷诠艿篮捅＠湎浔诶淠秩搿４斯艿离m在冷箱內(nèi)，但介質(zhì)溫度接近常溫，且非壓力管道，故配管時(shí)無特殊要求。但要注意，管系中孔管的布置，要與低溫液體管道和設(shè)備有足夠的距離，防止熱量持續(xù)傳入導(dǎo)致低溫液體的氣化。

1.2 小管道的應(yīng)力分析

冷箱內(nèi)小管道，一般與其連接的大管道作為一個(gè)管系進(jìn)行應(yīng)力分析。由于其直徑小，柔性大，其一次應(yīng)力和二次應(yīng)力一般均能滿足設(shè)計(jì)要求。在泵冷箱處的小管道，由于空間位置相對(duì)較小，自然補(bǔ)償段較短，故此處的管道設(shè)計(jì)必須結(jié)合應(yīng)力分析進(jìn)行，以防止管道變形較大造成管道碰撞，或應(yīng)力過大造成小管道根部焊縫撕裂。

1.3 小管道的保護(hù)和支撐

對(duì)于適用于低壓條件下的鋁管道，作為大管道的支管，直接采用插入焊接即可。對(duì)于內(nèi)壓縮流程中的中高壓管道，需要采用強(qiáng)度大的不銹鋼材質(zhì)，而在其上連接的支管，由于壓力等級(jí)的提高，單純的插入焊接已經(jīng)不能滿足開孔補(bǔ)強(qiáng)的要求。故需要采用對(duì)焊支管座或單承口管箍對(duì)開孔處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)和保護(hù)。對(duì)于采用哪種形式，與主管道尺寸、支管尺寸和管道壓力等級(jí)有密切關(guān)系。我公司經(jīng)過理論計(jì)算和實(shí)際驗(yàn)證，對(duì)于各個(gè)壓力等級(jí)下采用哪種補(bǔ)強(qiáng)形式形成了公司標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 4.0 MPa壓力等級(jí)下不銹鋼管道支管連接表

注：B—管子直接開孔；T—無縫對(duì)焊三通；W—對(duì)焊支管座；S—單程口管箍。

對(duì)于鋁管道支管的連接，需要在支管根部加設(shè)保護(hù)措施，如圖1所示。

圖1 DN80以下管道插入主管的管架形式圖

小管道的支撐，一般采用不銹鋼U形箍，使其固定在焊接于冷箱型鋼或冷箱內(nèi)設(shè)備的支架上。為避免螺母松動(dòng)，應(yīng)采用雙螺母形式。在裝置開車運(yùn)行時(shí)，溫度的降低會(huì)使管道和U形箍產(chǎn)生相對(duì)位移，在正常工況下，氣流的波動(dòng)也會(huì)造成管道震動(dòng)，而對(duì)于一些撬裝冷箱，運(yùn)輸過程中的震動(dòng)不可避免。為了減少以上情況對(duì)管道的損傷，U形箍和管道之間要加設(shè)一層聚四氟乙烯墊片。

管道支架的形式和間距，應(yīng)按照應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。小管道由于直徑小，所產(chǎn)生的二次應(yīng)力和變形不會(huì)對(duì)安全和運(yùn)行產(chǎn)生太大的影響，為了提高設(shè)計(jì)效率，對(duì)于管系形狀較好的小管道，一般不再對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析，而是依據(jù)公司標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)支架和間距。一般來說，小管道在豎直方向的支架間距為3～4 m，水平方向間距見表2。

表2 冷箱內(nèi)小管道水平敷設(shè)時(shí)支架間距推薦表

在冷箱管道安裝過程中和冷箱裝砂時(shí)，可能會(huì)發(fā)生材料、工具的掉落。由于小管道比較脆弱，為了更好保護(hù)小管道特別是水平方向管道，應(yīng)使其盡量設(shè)計(jì)在靠近冷箱和設(shè)備或布置在大管道的下部。但要注意，設(shè)計(jì)時(shí)要留出足夠的安裝、檢修和探傷的空間。

1.4 其他

冷箱內(nèi)溫度接頭一般為套管式溫度計(jì)，安裝時(shí)需要插入管道內(nèi)部足夠的距離。因此在小管道上若有溫度測(cè)點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)在此處進(jìn)行擴(kuò)徑，使其滿足溫度計(jì)的安裝要求。

部分小管道為現(xiàn)場(chǎng)彎制，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮管道的彎曲半徑不能太小，以便于現(xiàn)場(chǎng)施工。

由于小管道在設(shè)計(jì)后期配置，為了避讓大管道，需要很小的空間內(nèi)連續(xù)彎曲，因此，對(duì)于彎頭焊接的小管道，必須要留出足夠的焊縫距離。根據(jù)GB/T 20801—2006的規(guī)定，焊縫距離應(yīng)不小于管子外徑。

2 總結(jié)

隨著空分行業(yè)的發(fā)展，空分技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，各個(gè)空分廠家工藝設(shè)計(jì)水平的差距已漸漸縮小。要想在激烈競(jìng)爭(zhēng)的情況下取得優(yōu)勢(shì)，不僅要尋求技術(shù)突破，還要十分注重設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的把控。小管道的合理布置能反映公司的精細(xì)化設(shè)計(jì)，著眼于設(shè)計(jì)中細(xì)小的環(huán)節(jié)，提升客戶對(duì)產(chǎn)品和設(shè)計(jì)的認(rèn)可程度。

[1] 張祉佑，石秉三.低溫技術(shù)原理與裝置[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[2] 岳進(jìn)才.壓力管道技術(shù)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2005.

[3] 唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析[M].北京：中國(guó)石化出版社，2009.

Preliminary Discussion on Small-Diameter Pipelines in Air Separation Cold Box

SONG Junshuai，ZHOU Jinjuan，YIN Benkuan

(Design & Research Institute Co.,Ltd.， Kaifeng Air Separation Group, Kaifeng 475000, China)

This paper expounds the importance of small pipelines in air separation cold box, discusses the design points of various types of small pipelines, and introduces the support and protection of small pipelines.

air separation；cold box；small pipelines design；analysis；protection

2017-04-17

TB657.7

A

1007-7804(2017)03-0017-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.03.005

宋軍帥(1988)，男，畢業(yè)于鄭州輕工業(yè)學(xué)院熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，現(xiàn)在開封空分集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院從事壓力管道設(shè)計(jì)工作。