空分裝置整裝冷箱內(nèi)管道設(shè)計的探究

徐建

摘 要：基于科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，空分設(shè)備朝向大型化方向發(fā)展，冷箱內(nèi)壓力管道的設(shè)計也得到了優(yōu)化，出現(xiàn)整裝冷箱。但因為運輸條件的限制以及安裝能力等因素的約束，冷箱內(nèi)塔器、管道等設(shè)備單元的布局與設(shè)計需要進一步優(yōu)化。本文以某空分設(shè)備為例，分析該設(shè)備整裝冷箱內(nèi)設(shè)備布置、管道布局、管架設(shè)計、應(yīng)力分布以及管道CE認(rèn)證方面的技術(shù)特征，以及為我國空分設(shè)備整裝冷箱內(nèi)管道設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：空分設(shè)備；整裝冷箱；管道設(shè)計

相比傳統(tǒng)冷箱，整裝空分冷箱安裝質(zhì)量更為優(yōu)秀，且現(xiàn)場安裝周期明顯縮短，但因為受到運輸條件等多種因素的約束，所以多應(yīng)用于小規(guī)格空分設(shè)備或是液化設(shè)備之中。如今，空分設(shè)備逐漸向大型化發(fā)展，市場與部分特殊用戶均需要適用于大型空分設(shè)備的整裝冷箱。目前，市場已經(jīng)開始存在該類整裝冷箱，本文即以某10000m3/h空分設(shè)備為例，簡要介紹某設(shè)備冷箱的設(shè)計特征與部分問題的解決方法。本空分裝置工藝流程采用液氧泵內(nèi)壓縮流程：①空氣壓縮→②空氣預(yù)冷和純化系統(tǒng)→③熱交換和制冷→④空氣分離。本空分冷箱內(nèi)包括以下設(shè)備：上塔、下塔、主換熱器、過泠器、各流路的氣液分離器、高低壓板式換熱器、氬塔、液氧泵、液氬泵。

1 設(shè)備布置

某空分設(shè)備應(yīng)用整裝冷箱，所以必須保證冷箱內(nèi)設(shè)備與管道布置的合理性，以縮減冷箱空間尺寸，達到現(xiàn)有運輸?shù)囊?。按照塔器直徑以及高度，結(jié)合冷箱現(xiàn)有運輸條件，綜合該設(shè)備工藝流程以及使用方對設(shè)計的要求，在設(shè)計期間不斷對冷箱予以優(yōu)化，最終確定設(shè)備按照如下條件布置：

第一，上塔、下塔與主冷組合；粗氬冷凝設(shè)備同粗氬塔組合；精氬冷凝設(shè)備與精氬蒸發(fā)設(shè)備組合；設(shè)備布置于主冷箱位置，主冷箱規(guī)格為6300mm×4500mm× 60000mm。第二，主冷箱側(cè)面作為運輸面，冷箱內(nèi)閥門全部置于冷箱正面或是背面。第三，主換熱設(shè)備、過冷設(shè)備、液氧蒸發(fā)設(shè)備均置于副冷箱內(nèi)，副冷箱規(guī)格為6300mm×3500mm×18000mm。第四，副冷箱側(cè)面作為運輸面，副冷箱內(nèi)閥門全部置于冷箱正面或是背面。第五，主冷箱的側(cè)面與背面各自配置兩個液氧泵冷箱與液氬泵冷箱，副冷箱側(cè)面配置膨脹機過橋冷箱，主、副冷箱利用過橋冷箱實現(xiàn)連接。

本文采用PDMS三維造型軟件成圖，具體設(shè)備布置方式如下圖所示：

圖1空分冷箱內(nèi)設(shè)備布置圖

2 管道設(shè)計

2.1 空分設(shè)備管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

本空分設(shè)備所有管道所用材料均滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)，所有鋁合金管材均采用5083為原料，不銹鋼管材則用316L，設(shè)計與無損檢測均滿足歐洲工業(yè)氣體協(xié)會（EIGA）標(biāo)準(zhǔn)，所有壓力管均已獲得CE認(rèn)證。

2.2 管道布局設(shè)計

本空分設(shè)備冷箱內(nèi)管道均應(yīng)用PDMS軟件作為設(shè)計輔助軟件，已構(gòu)建了冷箱結(jié)構(gòu)、塔器、管道、閥門以及管架對應(yīng)的三維模型，在計算機中完成對冷箱內(nèi)各個單元的科學(xué)分布，不僅符合工藝流程的需要，同時也可為之后的安裝作業(yè)預(yù)留空間。本空分設(shè)備整裝冷箱的特點在于如下方面：

第一，管道的分布既符合管道對柔性的需求，同時也符合設(shè)備對管口荷載的需求。第二，進塔器與出塔器管道按照塔體走向布置，同時于塔上安設(shè)管架，不僅需要令冷箱內(nèi)空間達到最大，還需要降低管道所承受的應(yīng)力，減少管道與管架耗損的材料。第三，主冷箱側(cè)面為運輸面，在安裝過程中，同樣以左側(cè)著地。且本空分設(shè)備冷箱操左側(cè)與塔器之間基本沒有設(shè)置管道，特別是管徑較大的管道，以此為之后管道安裝提供便利。第四，本空分設(shè)備整裝冷箱內(nèi)管道閥門均設(shè)計為浮動形式，借此避免塔器與管道出現(xiàn)相對位移，將管道所承受的應(yīng)力釋放，進而解決粗氬冷凝設(shè)備頂出的液空蒸汽回流至上塔管道以及主冷液氮流入下塔管道柔性問題。第五，膨脹機進口管道與出口管道部分設(shè)計部分補償彎，以符合冷箱對管道柔性設(shè)計以及膨脹機對管口應(yīng)力的需求，不再應(yīng)用金屬膨脹節(jié)。第六，設(shè)計將液體泵進出口管道與回流管均設(shè)計為泵口處于低位，管道保持固定角度傾斜上方的形式，借此確保液體泵能夠平穩(wěn)的工作。第七，本設(shè)備所有氧介質(zhì)管道均應(yīng)用不銹鋼管道，經(jīng)脫脂處理，安設(shè)過程中需要保證管道內(nèi)壁的潔凈與光滑，以確保管道在設(shè)備運行期間的安全性。第八，避免了管道形成袋形，管道形成袋形會阻礙氣體或液體的流動，氣體管如果出現(xiàn)U形，它的低點應(yīng)該避開比其溫度更低的管道，防止飽和氣體液化殘存在管道低點。液體管在冷箱內(nèi)最好“漸漸低”或者“漸漸高”，不應(yīng)出現(xiàn)高點，以防止形成氣阻：①液氧、液氮產(chǎn)品管道。與冷箱外工程管道設(shè)計人員溝通，根據(jù)液體產(chǎn)品管在管廊的放置高度確定相應(yīng)的冷箱開孔標(biāo)高和液體管引出位置以及閥門放置高度，如果能將液體產(chǎn)品管布置為“漸漸低”，那么冷箱內(nèi)外將不會出現(xiàn)袋形，整個管線不需要另設(shè)排氣；②過冷器不應(yīng)放置過低。過冷器下部一般有污氮氣和氮氣管線，如果這兩根匯總管分層布置，那么過冷器可能要布置在較高位置，但對于某些較小等級空分，或者不分層布置氮、污氮管線，過冷器可能不需要放置很高，但是它的最低標(biāo)高是有限制的，限制條件為：下塔富氧液空抽（下轉(zhuǎn)第42頁）（上接第40頁）口至過冷器進口的管道應(yīng)該為“漸漸高”，以免形成氣阻。

2.3 管架設(shè)計

本空分設(shè)備冷箱內(nèi)管道除對常用管道設(shè)計支吊架，還需添設(shè)臨時支架，以避免運輸期間發(fā)生管道變形的問題。管道支吊架往往依照管道布置，也需要將應(yīng)力結(jié)果納入考慮范圍當(dāng)中，以便令管道所承受的應(yīng)力與變形更為科學(xué)。故而，本次管架設(shè)計如下：

第一，循著塔器目前已經(jīng)安設(shè)完畢的管道于塔體之上安設(shè)支架，不在其他位置搭設(shè)其他支架。第二，針對含浮動閥門的管道，設(shè)計人員于閥門前后設(shè)計了導(dǎo)向支架與存在間隔的承重導(dǎo)向支架，針對浮動閥門則設(shè)計有臨時支架。第三，冷箱安設(shè)過程中需要部分標(biāo)準(zhǔn)托架作為冷箱型鋼的支撐物，但在實際安裝時，其并不是承重支架，可利用安裝、運輸期間可承重的支架予以替換，如此一來，支架還兼具運輸支架的功能。第四，膨脹機進口管道與出口管道由于不需要安設(shè)膨脹節(jié)，所以不可使用標(biāo)準(zhǔn)管架，設(shè)計人員需要按照應(yīng)力計算結(jié)果調(diào)節(jié)膨脹機進出口所處位置以及限位的方向。第五，液體泵進口進口軟管與出口軟管兩端均配置有法蘭，針對臨近軟管的管道支架，建議設(shè)計人員設(shè)計采用管道與支架焊死的形式予以固定。

2.4 應(yīng)力分析

空分設(shè)備整裝冷箱內(nèi)管道設(shè)計期間，管道的分布、管架設(shè)計以及應(yīng)力分析同期開展，按照應(yīng)力分析最終結(jié)果對管道與管架的設(shè)計與布局進行調(diào)節(jié)，校對塔器與設(shè)備管口荷載是否達到標(biāo)準(zhǔn)。一般來說冷箱內(nèi)管道應(yīng)力采用CAESAR Ⅱ軟件予以核算，應(yīng)力計算所用文件可直接自PDMS軟件導(dǎo)出。

針對冷箱內(nèi)管道應(yīng)力計算，需要將地震荷載納入考慮范圍當(dāng)中，通常情況下愛，地震加速度設(shè)定為0.3g。各個工況之間的組合應(yīng)包含設(shè)備運行過程中所有可能出現(xiàn)的狀況，所有計算結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)，保證設(shè)備可以在任何情況下穩(wěn)定運行。

2.5 管道CE認(rèn)證

任何產(chǎn)品在進入歐盟市場之前必須經(jīng)過CE認(rèn)證且通過。本設(shè)備整裝冷箱內(nèi)管道CE認(rèn)證采用PED指令，第三方驗證企業(yè)為德國T?V企業(yè)，該企業(yè)也已經(jīng)獲得CE驗證資格。

按照PED相關(guān)規(guī)定，流體物質(zhì)分為有危險與無危險兩類。冷箱之中的流體多為空氣、液空與氣態(tài)或是液態(tài)的氧、氬以及氮，上述流體中，氣態(tài)氧、液態(tài)氧、液空均屬于危險類流體，其余則不具備危險性。確定各個流體性質(zhì)之后，再按照流體的相態(tài)合理設(shè)計管道壓力、公稱直徑，并對管道進行分類，分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類以及非類管道。不同類型管道所適用的評審方式也有一定差異。

依照PED相關(guān)規(guī)定，針對Ⅰ類管道，應(yīng)用評審模式A，Ⅱ類管道應(yīng)用模式A2、D1或是E1，Ⅲ類管道則多采用模式B+D、B+F、B+C2、H或是B+E。企業(yè)需明確各個評審模式的評審要求，以確保冷箱可以達標(biāo)。

3 結(jié)束語

以往的空分設(shè)備組裝多在施工現(xiàn)場完成，受天氣等因素影響大，本空分設(shè)備在冷箱空間較小的情況下，本合理分布了設(shè)備、管道、管架所在位置，并妥善解決了在運輸、制造以及安裝期間存在的問題，避免了外界因素的干擾，縮短冷箱組裝時間，并保證了空分設(shè)備的組裝質(zhì)量，極大的提高了效率。本文通過對該設(shè)備冷箱內(nèi)管道布置方式分析，希望為冷箱制造企業(yè)的冷箱內(nèi)管道設(shè)計提供新的思路與參考。