非金屬雙套管設(shè)計(jì)與安裝的探討

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430070)

雙套管，顧名思義就是由內(nèi)管和外管兩層管道組成的管道系統(tǒng)。在傳統(tǒng)石油化工項(xiàng)目中，這種內(nèi)管和外管組成的管道系統(tǒng)被稱為夾套管，其內(nèi)外管均為金屬管道，內(nèi)管用于輸送工藝介質(zhì)，內(nèi)外套管間流動(dòng)著起保溫作用的熱介質(zhì)用來補(bǔ)充內(nèi)管介質(zhì)在輸送過程中的熱損失，以保持內(nèi)管工藝介質(zhì)溫度的恒定。金屬夾套管常用于管道的伴熱。近年來，非金屬管道因其良好的耐腐蝕性、耐磨損性、電絕緣性以及低廉的成本逐漸被人們關(guān)注，特別是隨著非金屬管道在精細(xì)化工和電子化工廠中應(yīng)用的日益廣泛，非金屬雙套管的使用也變得常見，常用于輸送腐蝕性的高度危害介質(zhì)。筆者現(xiàn)以某2萬t/a電子級(jí)四甲基氫氧化銨項(xiàng)目為例，介紹非金屬雙套管及其設(shè)計(jì)和安裝。

1 非金屬雙套管的選用分析

1.1 工藝流程

電子級(jí)四甲基氫氧化銨(TMAH)又稱顯影液，是微電子技術(shù)發(fā)展過程中不可缺少的一種關(guān)鍵基礎(chǔ)化學(xué)試劑，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、超大規(guī)模集成電路的裝配和加工過程，常用于硅晶片的清洗和蝕刻。

本項(xiàng)目的主要工藝流程是將從客戶端回收的50%四甲基氯化銨(TMAC)廢液，經(jīng)純水稀釋至濃度為25%后，再經(jīng)純化塔除去廢液中的金屬離子，然后送至電解槽內(nèi)進(jìn)行電解反應(yīng)，生成25%的電子級(jí)四甲基氫氧化銨(TMAH)的過程。其主要化學(xué)反應(yīng)式如下：

2TMA·Cl +2H2O→2TMA·OH + Cl2+ H2

1.2 主要工藝物料的特性

在此項(xiàng)目中，主要的工藝物料有50%四甲基氯化銨(TMAC)、25%四甲基氫氧化銨(TMAH)、氫氣和氯氣。這些物料的特性見表1。

表1 物料特性表

1.3 非金屬雙套管的選用

本項(xiàng)目中四甲基氯化銨(TMAC)的設(shè)計(jì)溫度為70～75 ℃，設(shè)計(jì)壓力為0.5～0.8 MPa(g)，管徑范圍DN15～125。根據(jù)GB 50781—2012[1]中3.3.3酸堿類、研磨液、腐蝕性溶劑化學(xué)品應(yīng)設(shè)計(jì)雙套管；GB 50472—2008[2]中11.3.2輸送腐蝕性化學(xué)品的管道，可直接采用非金屬管材，但應(yīng)設(shè)置保護(hù)套管(輸送化學(xué)品的管道材質(zhì)應(yīng)根據(jù)管內(nèi)流過化學(xué)品的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行選擇，并以透明PVC管做保護(hù)套管)。

所以在此項(xiàng)目中輸送四甲基氯化銨(TMAC)的管道選用的是非金屬雙套管，其結(jié)構(gòu)外形見圖1[3]。內(nèi)管用于輸送四甲基氯化銨，材質(zhì)為PPR/PVDF；外管為透明Clear-PVC材質(zhì)，用于觀察內(nèi)管是否泄漏并起到保護(hù)人身安全的作用。這種選材不僅滿足了工藝及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，而且降低了管道材料成本，得到了業(yè)主和專利商的一致認(rèn)可。

圖1 非金屬雙套管結(jié)構(gòu)外形注：1—內(nèi)管；2—外管；3—支撐片；4—支撐片泄流孔

2 非金屬雙套管的設(shè)計(jì)

2.1 雙套管的內(nèi)管設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中非金屬雙套管內(nèi)管用于輸送工藝介質(zhì)四甲基氯化銨，根據(jù)其設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力及其管徑范圍等條件，選擇的管道材質(zhì)為PPR(聚丙烯)/PVDF(聚偏氟乙烯)。在管道布置時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：①非金屬管道的布置應(yīng)地上敷設(shè)，如確有需要，可敷設(shè)在管溝內(nèi)；②非金屬管道沿建筑物或與其他管道平行、交叉敷設(shè)時(shí)，其凈距不應(yīng)小于100 mm，并滿足非金屬管道的安裝要求；③在設(shè)計(jì)非金屬內(nèi)管時(shí)，需為外套管預(yù)留出安裝所需的空間；④布置在管溝內(nèi)的非金屬管道的管底距離溝底凈空不應(yīng)小于300 mm；管溝溝底應(yīng)有不小于0.2%的坡度，溝底最低點(diǎn)應(yīng)有排水措施；⑤非金屬管道的跨距，應(yīng)根據(jù)管道的強(qiáng)度和剛度分別確定后，取二者之較小值。因PP/PVDF管道的機(jī)械強(qiáng)度較小，其基本跨距也較小。故在管道布置時(shí)，應(yīng)充分考慮支吊架的生根點(diǎn)和支吊架的形式后再確定管道走向，最好是多根管道成排考慮；⑥非金屬管道在氧、紫外線的作用下容易老化，所以宜布置在室內(nèi)、罩棚下或管溝內(nèi)。

2.2 雙套管的外管設(shè)計(jì)

因內(nèi)管輸送的四甲基氯化銨為腐蝕、有毒的介質(zhì)，根據(jù)GB 50472—2008，本項(xiàng)目采用透明PVC(透明聚氯乙烯)管作為雙套管的外管，內(nèi)外管之間為中空的夾套管路，用于監(jiān)控內(nèi)管情形，避免內(nèi)管的腐蝕性介質(zhì)泄漏時(shí)對(duì)操作人員造成傷害。外套管的配管原則如下：①水平直管段的最低點(diǎn)需在外套管加設(shè)DN20的排液管，且設(shè)在排液管上置閥門用于確認(rèn)是否漏液；②當(dāng)外套管口徑為6″～12″時(shí)，其管件可用非透明的PVC管件直接取代；③內(nèi)管需加裝支撐板固定，確保內(nèi)管在外套管中央；④外套管末端可用管帽、法蘭等作為切斷點(diǎn)；⑤閥門與法蘭等泄漏點(diǎn)處需用塑料布包覆，或在該處設(shè)置閥門箱或法蘭套，防止內(nèi)管泄漏時(shí)噴濺導(dǎo)致人員受傷；⑥外套管的管徑選擇可參考表2。

續(xù)表

2.3 雙套管的管架設(shè)計(jì)

雙套管的管架是做在透明PVC外套管上的，所以在管架設(shè)計(jì)時(shí)參考HG/T 21629—1999[4]第4冊(cè)M類管架和SH/T 3161—2011[5]進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在設(shè)置管架時(shí)需注意以下要點(diǎn)：①不能采用較方便的焊接支架，需采用較繁瑣的卡箍型支吊架；②管架與管道間放置非金屬襯墊，防止硬物與管道直接接觸；③支吊架宜設(shè)置在閥門或管道附件等載荷集中處；④管道在架空敷設(shè)時(shí)不應(yīng)利用管道自身的剛度作為支吊架結(jié)構(gòu)；⑤支吊架不得與管道直接粘接或焊接；⑥對(duì)接連接點(diǎn)與管道支吊架邊緣的距離應(yīng)大于管道外徑且不小于100 mm；承插連接處離管道支座邊緣的距離應(yīng)大于150 mm；為便于拆卸，法蘭與支架邊緣凈距不得小于200 mm。

因PPR/PVDF內(nèi)管和C-PVC外套管的強(qiáng)度和剛度均較小，故管道的跨度也較小。可參考HG/T 21629—1999第5冊(cè)附錄B和SH/T 3161—2011的跨度要求設(shè)置管架。

3 非金屬雙套管的安裝

3.1 管道的連接形式

非金屬管道的連接形式主要有：法蘭連接、電熔連接、熱熔連接、纏繞連接和溶劑粘接[6]。根據(jù)GB/T 18742—2002[7]、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和廠家提供樣本，本項(xiàng)目中內(nèi)管PPR(聚丙烯)的管道與管道、管道與管件連接工藝采用熱熔承插(見圖2)，閥門為法蘭連接；PVDF(聚偏二氟乙烯)的管道與管道、管道與管件連接工藝采用紅外線加熱焊接，閥門也為法蘭連接；外管透明PVC管道采用冷膠粘接的連接方式(見圖3)。

圖2 熱熔承插連接工作流程

圖3 冷膠粘接工作流程

3.2 管道的安裝

由于本項(xiàng)目中的非金屬雙套管是由PPR/PVDF材質(zhì)的內(nèi)管和透明PVC外管組成，安裝時(shí)內(nèi)管和外管需同時(shí)考慮，且外套管的安裝更為復(fù)雜，其安裝要點(diǎn)如下。

(1)按照管道空視圖施工內(nèi)管，管道和管道之間進(jìn)行熱熔焊接，并分段安裝支撐片，然后穿入外套管中。

(2)當(dāng)內(nèi)管安裝至三通、彎頭等管件處時(shí)，則將外套管的三通、彎頭剖成兩半(若彎頭處內(nèi)管可直接穿入外套管，外套管彎頭可不剖切)，然后套在內(nèi)管外，在剖縫拼合處采用透明PVC焊條焊接。

(3)當(dāng)內(nèi)管連接至閥門或設(shè)備法蘭處時(shí)，外套管采用5 mm厚的透明PVC板制成閥門箱，設(shè)備法蘭處采用透明PVC法蘭套。

(4)透明PVC外套管粘接前需采用潔凈布沾上清潔劑清洗，以保證膠水與管道的粘合，待清洗劑揮發(fā)完畢方可涂膠，然后將管道插入涂好膠水的二通插口，膠水溢出應(yīng)連續(xù)，如不連續(xù)，表示涂抹的膠水不足，需切掉重新組合接頭。

(5)按照GB 20781—2012[1]的要求，內(nèi)管應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)、嚴(yán)密性試驗(yàn)和泄漏性試驗(yàn)；外套管在施工完成后也要進(jìn)行壓力試驗(yàn)，并在內(nèi)管試壓合格后再對(duì)外套管進(jìn)行試壓。內(nèi)管壓力試驗(yàn)介質(zhì)為超純水，外套管的壓力試驗(yàn)介質(zhì)為氮?dú)狻?/p>

4 結(jié)語

綜上所述，非金屬雙套管能夠方便、安全地解決半導(dǎo)體芯片及液晶制造行業(yè)中高危介質(zhì)的輸送問題。但因非金屬管道對(duì)輸送介質(zhì)的物性、溫度、壓力及管道口徑有更高的要求，且相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和文獻(xiàn)資料并不多，故如何設(shè)計(jì)和安裝非金屬雙套管還需要我們結(jié)合項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)不斷地歸納和總結(jié)。