大型空分裝置低溫管道的設(shè)計(jì)與運(yùn)用

周博博 華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

某70000m3/h空分裝置采用低溫精餾法分離空氣，即通過(guò)壓縮、膨脹和降溫，直至空氣液化。因?yàn)檠?、氮、氬汽化溫?沸點(diǎn))不同(在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氧的沸點(diǎn)為-183℃，氮的沸點(diǎn)為-196℃，氬的沸點(diǎn)為-186℃)，所以可利用沸點(diǎn)低的介質(zhì)更容易汽化這個(gè)特性，實(shí)現(xiàn)氧、氮、氬的分離?？辗盅b置為超低溫環(huán)境，相關(guān)管道需要采取保冷措施。

珠光砂是一種多孔結(jié)構(gòu)、白色、粒狀松散的材料，具有容量小、導(dǎo)熱系數(shù)低、化學(xué)穩(wěn)定性好、不燃、無(wú)毒、無(wú)味、吸音等特性，具有良好的超低溫保冷性能，上述裝置冷箱內(nèi)的低溫管道采用珠光砂作為保冷材料。

真空絕熱管道于1951年由彼得遜(Peterson)發(fā)明，其絕熱空間抽到低于1×10-3Pa的負(fù)壓下，它是目前效率最高的一種絕熱形式。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，真空絕熱管道在真空隔熱和超導(dǎo)技術(shù)上開(kāi)始應(yīng)用，而后廣泛用于各種低溫液體儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)鹊蜏仡I(lǐng)域中[1]，上述裝置冷箱外管道采用真空絕熱管道保冷。

1 某70000m3/h空分裝置的工藝流程

1.1 冷箱內(nèi)空氣的精餾流程

該裝置流程示意圖見(jiàn)圖1。經(jīng)分子篩凈化后的干燥潔凈空氣進(jìn)入空氣壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入冷箱，隨后分為兩股，第一股進(jìn)入氣體膨脹機(jī)增壓端進(jìn)一步增壓，后經(jīng)過(guò)高壓板式換熱器冷凝為-196℃的液化空氣，再通過(guò)液體膨脹機(jī)進(jìn)入氮塔。另一股經(jīng)氣體膨脹機(jī)進(jìn)行膨脹，進(jìn)入高壓板式換熱器，而后進(jìn)入氮塔，經(jīng)氮塔精餾后，富氧液化空氣進(jìn)入下塔，氮塔頂部的高純液氮通過(guò)管路引入到主冷凝器下部，空氣經(jīng)氮塔和上下塔精餾，在上塔頂部排出污氮?dú)?，?fù)熱后用于分子篩純化系統(tǒng)再生，在下塔頂部獲取高純液氮，在上塔底部獲取的高純液氧，在上塔中下部抽取氬餾分，送入粗氬塔，粗氬塔頂部的粗氬氣進(jìn)入純氬塔精餾，得到液氬。

圖1 某70000m3/h空分裝置的工藝流程圖

空氣的精餾過(guò)程發(fā)生在冷箱內(nèi)，冷箱內(nèi)設(shè)備包含高壓換熱器、氮塔&氮塔冷凝器、上塔&主冷凝器&下塔、粗氬塔&粗氬塔冷凝器與純氬塔組合。冷箱采用珠光砂保冷，干燥的珠光砂在低溫工況下具有良好的保冷性能和流動(dòng)性能，不阻礙管道、設(shè)備的變形。

1.2 液氧后備系統(tǒng)流程圖

液氧被精餾出來(lái)后，一路通過(guò)過(guò)冷器后，出冷箱，進(jìn)入液氧后備系統(tǒng)；另一路進(jìn)入高壓板式換熱器，為膨脹空氣液化提供冷量。自冷箱出來(lái)的液氧進(jìn)入液氧后備系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)，分為三路，第一路經(jīng)過(guò)高壓液氧泵，然后通過(guò)液氧汽化器，氧氣增壓到8.6MPa(G)，進(jìn)入氧氣管網(wǎng)，為氣化裝置提供氧氣；第二路通過(guò)高壓柱塞泵增壓，經(jīng)過(guò)超高壓液氧汽化器，氧氣壓力增至12MPa(G)，用于給氧氣管網(wǎng)補(bǔ)壓；第三路去充車泵，通過(guò)金屬軟管裝車外運(yùn)。

真空絕熱管道用在低溫流體出冷箱至汽化器之前，并且包含沖車管線，即圖2中粗線表示管線。液氬、液氮管線流程與液氧類似，不再贅述。

圖2 液氧后備系統(tǒng)流程圖

2 低溫管道材料與連接方式的選擇

奧氏體不銹鋼與鋁合金具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)，不存在脆性轉(zhuǎn)變溫度，在低溫下具有良好的塑性和韌性。

2.1 冷箱內(nèi)低溫管道材料與連接方式的選擇

冷箱內(nèi)部的設(shè)備與管道包括5083-H112鋁合金(以下簡(jiǎn)稱鋁合金)與S30408奧氏體不銹鋼(以下簡(jiǎn)稱不銹鋼)兩種材料。鋁合金的單位線脹率在-196℃時(shí)是-3.79mm/m，低溫下的許用應(yīng)力為74MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為156W/(m·K)。不銹鋼的單位線脹系數(shù)在-196℃時(shí)是-3.10mm/m，低溫下的許用應(yīng)力是122MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為16W/(m·K)。因此，不銹鋼的力學(xué)性能全面優(yōu)于鋁合金，且導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于鋁合金。但使用鋁合金的成本比不銹鋼低得多，故冷箱內(nèi)部的設(shè)備與管道仍需視具體情況對(duì)這兩種材料進(jìn)行選擇。

冷箱內(nèi)的靜設(shè)備諸如各類換熱器、各類精餾塔，其設(shè)計(jì)壓力最高為8.0Mpa(G)，且鋁合金重量較輕，由于冷箱內(nèi)采用珠光砂保冷，不用考慮金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)，因此，該裝置冷箱內(nèi)靜設(shè)備(各類換熱器與精餾塔)均采用鋁合金，其對(duì)應(yīng)的接管也采用鋁合金管道。但動(dòng)設(shè)備(氣體膨脹機(jī)、液體膨脹機(jī)與各類泵)具有振動(dòng)載荷，而鋁合金的抗疲勞性卻很差，所以動(dòng)設(shè)備需選用不銹鋼材質(zhì)，其對(duì)應(yīng)接管也采用不銹鋼，故冷箱中低溫管道存在不銹鋼與鋁合金管道的連接。鋁合金與不銹鋼的固溶度較低、熱物理性質(zhì)以及材料力學(xué)性能差異巨大，將兩者焊在一起，將產(chǎn)生嚴(yán)重的殘余應(yīng)力，此外不銹鋼中含有鉻元素，它和鋁的化學(xué)性質(zhì)都比較活潑，在焊接過(guò)程中極易氧化，導(dǎo)致脆性化合物出現(xiàn)[2]，此問(wèn)題可用慣性摩擦焊來(lái)解決。

慣性摩擦焊結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3。

圖3 慣性摩擦焊結(jié)構(gòu)圖

慣性摩擦焊利用飛輪儲(chǔ)存旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能，用以提供工件摩擦?xí)r需要的能量。飛輪與工件固定，焊接時(shí)，飛輪與左側(cè)工件首先被加速到設(shè)定的轉(zhuǎn)速，隨后在軸向力作用下，左側(cè)工件向右旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，兩側(cè)工件逐漸靠攏、壓緊，工件接觸后開(kāi)始摩擦，同時(shí)通過(guò)離合器切斷電機(jī)供電，飛輪轉(zhuǎn)速不斷降低，直至停止轉(zhuǎn)動(dòng)，保壓一段時(shí)間后，焊接結(jié)束。在實(shí)際生產(chǎn)中，可通過(guò)更換飛輪或組合不同尺寸的飛輪來(lái)改變飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而改變焊接能量及焊接能力。

慣性摩擦焊屬于固相焊接，接頭不會(huì)產(chǎn)生融化，因此不會(huì)產(chǎn)生焊接脆化現(xiàn)象；再者摩擦焊接時(shí)間短，焊接熱影響區(qū)窄，熱影響區(qū)內(nèi)組織無(wú)明顯的粗化現(xiàn)象[3]。慣性摩擦焊完美地解決了鋁合金與不銹鋼焊接過(guò)程中的焊接脆性與熱應(yīng)力大的問(wèn)題，采用慣性摩擦焊可以制作鋁合金/不銹鋼異種金屬接頭。施工現(xiàn)場(chǎng)采購(gòu)成品鋁合金/不銹鋼異種金屬接頭解決了不銹鋼與鋁合金管道的焊接問(wèn)題。

2.2 真空絕熱管道材料與連接方式的選擇

液氧、液氮等低溫流體的輸送管道有兩種保冷方式，第一種為采用堆積絕熱管道；另一種為采用真空絕熱管道。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算與實(shí)踐分析，真空絕熱管道在使用過(guò)程中由于絕熱性能好、冷損小，經(jīng)濟(jì)效益顯著優(yōu)于采用堆積絕熱管道[4]。因此，該裝置冷箱外部的低溫管道選擇真空絕熱管道。

由于鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)太大，若采用鋁合金做真空絕熱管道冷量損失將會(huì)很大;另外,真空絕熱管道內(nèi)外管溫差很大,熱伸縮量不同，因此，需要使用波紋管來(lái)吸收軸向應(yīng)力，而鋁合金沖擊韌性比較差，不適于制作波紋管?；谏鲜鰞煞N原因，真空絕熱管道采用不銹鋼。

真空多層不銹鋼絕熱管道內(nèi)外管之間交替安置許多層平行于冷壁的具有高反射率的輻射屏(鋁箔、雙面或單面噴鋁的滌綸薄膜)和低熱傳導(dǎo)率的間隔物(例如：玻璃纖維布、尼綸網(wǎng)等)，從而大幅減小輻射和熱傳導(dǎo)，進(jìn)而達(dá)到高效絕熱目的。

真空絕熱管道為一般為分段式，單支長(zhǎng)5～8m，通常在制造廠抽真空并預(yù)制，到現(xiàn)場(chǎng)組裝成為長(zhǎng)距離輸送管道。其連接形式有承插法蘭式、平面法蘭式和焊接式。

承插法蘭式管接頭的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖4。

圖4 承插法蘭式管接頭結(jié)構(gòu)圖

陽(yáng)接頭插入陰接頭中，兩者之間的間隙很小，低溫液化氣體進(jìn)入此間隙中被汽化，從而形成“氣阻”，改善了管路接頭的絕熱性能并減輕低溫對(duì)密封圈的作用。由于密封圈不直接與低溫液體接觸，其溫度較高，可以采用橡膠O形密封圈，其具有優(yōu)良的密封可靠性。在管路接頭間隙中形成的“氣阻”是改善絕熱性能的關(guān)鍵，插入部分增長(zhǎng)，能提高絕熱性能。減小插入件之間的間隙，有利于形成“氣阻”，對(duì)密封和絕熱有利，但對(duì)加工精度要求更高，美國(guó)專利曾介紹采用膨脹系數(shù)很小的因瓦合金制作陽(yáng)接頭，低溫工作時(shí)靠陰接頭材料冷收縮，兩者間隙變得很小，有利于密封和形成“氣阻”[5]。但這種結(jié)構(gòu)方案未見(jiàn)有在工程上應(yīng)用的報(bào)道，估計(jì)未能推廣應(yīng)用的原因是因瓦合金價(jià)格昂貴。

承插法蘭式管接頭的優(yōu)點(diǎn)是密封可靠，對(duì)制造的要求低，具有相當(dāng)好的絕熱性能;其缺點(diǎn)是拆裝時(shí)要做較大距離的軸向移動(dòng)。

平面法蘭式管接頭的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖5。

圖5 平面法蘭式管接頭結(jié)構(gòu)圖

內(nèi)墊片是冷密封，通常采用聚四氟乙烯、氟-46或鉛制作。冷密封與低溫介質(zhì)直接接觸，材料會(huì)失去彈性并有較大的冷收縮，因而易泄漏。外墊片是熱密封，它在較高溫度下工作，通常采用橡膠O形圈，密封可靠。

平面法蘭式管接頭的絕熱機(jī)理與承插法蘭式管接頭相似，少量液體通過(guò)冷密封漏入空腔，同樣會(huì)立即汽化形成“氣阻”，并自動(dòng)阻止液體進(jìn)一步漏入。因此，冷密封少量泄漏是允許的。如大量低溫液體進(jìn)入腔室中則會(huì)引起絕熱性能明顯下降，并可能導(dǎo)致熱密封在低溫作用下失效從而導(dǎo)致泄漏。對(duì)于平面法蘭式管接頭，為了獲得可靠的冷密封，對(duì)有關(guān)影響密封的制造精度要求更高。

平面法蘭式管接頭安裝比較方便，維修相對(duì)簡(jiǎn)單，但是它的漏熱比較大，如長(zhǎng)期輸送低溫液體，浪費(fèi)比較大，而且對(duì)加工要求比較高[6]。

真空絕熱管道系統(tǒng)的漏熱由管接頭漏熱和管體漏熱兩部分組成。根據(jù)美國(guó)CVI公司的技術(shù)資料，3″真空絕熱液氧管路單位管長(zhǎng)的漏熱量為1.04W/m，一個(gè)對(duì)應(yīng)尺寸的承插法蘭式管路接頭的漏熱為21.8W。如果每10m有一個(gè)管接頭，在管路系統(tǒng)的總漏熱量中，通過(guò)管路接頭的漏熱量占67.7%，通過(guò)管體的漏熱量占32.3%。由此可見(jiàn)，通過(guò)法蘭式管路接頭的漏熱量占整個(gè)管路漏熱量的絕大部分。

縱觀國(guó)內(nèi)外各種類型的真空絕熱管道，采用焊接連接仍是大幅提高管路系統(tǒng)絕熱性能的有效途徑，尤其是對(duì)于連接接頭較多的復(fù)雜管路系統(tǒng)更是如此。焊接式連接方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、冷損小，一般性日常抽空維修簡(jiǎn)單，不需拆卸，但更換較復(fù)雜。

上述裝置采用焊接式管接頭連接,見(jiàn)圖6。

圖6 焊接式管接頭結(jié)構(gòu)圖

內(nèi)管采用焊接方式連接，連接處采用泡沫玻璃包覆進(jìn)行保冷，根據(jù)供貨商技術(shù)資料，DN50真空絕熱液氧管路單位管長(zhǎng)的漏熱量為1.01W/m，一個(gè)長(zhǎng)度為200mm的焊接式管路接頭的漏熱量為2.93W，該裝置每6m有一個(gè)管接頭，在管路系統(tǒng)的總冷量損失中，通過(guò)管路接頭的漏熱量占32.6%，通過(guò)管體的漏熱量占67.4%，相對(duì)于法蘭式連接，管接頭的漏熱量大幅降低。

3 真空絕熱管道的布置、管道支架設(shè)置與工廠預(yù)制

冷箱為成套供貨，冷箱內(nèi)低溫管道的布置與支撐均由制造商負(fù)責(zé)。設(shè)計(jì)院負(fù)責(zé)的低溫管道范圍均為冷箱外真空絕熱管道。

真空絕熱管道的連接應(yīng)盡量減少管接頭，以減少熱量損失，且真空絕熱管道中不可避免有少量液體氣化，因此，管道的布置應(yīng)遵循“步步高”或“步步低”的原則，避免出現(xiàn)氣堵。

由于各供貨商真空絕熱管道內(nèi)外管間距、夾層真空度、單支長(zhǎng)度等參數(shù)不一致，設(shè)計(jì)院依照以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行管道布置，采用管道單線圖進(jìn)行招標(biāo)，待確定供貨商后，由供貨商依照自身產(chǎn)品特點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)院管道布置圖進(jìn)行優(yōu)化。

真空絕熱管道其外管無(wú)需進(jìn)行保冷，理論上管道支架采取《管架標(biāo)準(zhǔn)圖》HG/T 21629中的常用形式即可，但由于無(wú)法確認(rèn)真空絕熱管道內(nèi)外管夾層間距，因此須選用《管架標(biāo)準(zhǔn)圖》HG/T 21629中保冷管道支架，見(jiàn)圖7，待供貨商返回真空絕熱管道內(nèi)外管夾層間距后,再確認(rèn)管道支架尺寸。

圖7 保冷管道支架結(jié)構(gòu)圖

真空絕熱管道的布置及管道支架的選用與供貨商的產(chǎn)品參數(shù)息息相關(guān)，因此采購(gòu)工程師需要積極與設(shè)計(jì)工程師和供貨商溝通，確保雙方信息的準(zhǔn)確與時(shí)效，避免造成不必要的損失。

真空絕熱管道為工廠化預(yù)制交貨，到施工現(xiàn)場(chǎng)后無(wú)法進(jìn)行切削加工，一旦出現(xiàn)尺寸偏差，施工現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法處理，極易造成浪費(fèi)。因此，真空絕熱管道必須精準(zhǔn)預(yù)制。為避免發(fā)生偏差，在動(dòng)、靜設(shè)備就位后，采購(gòu)工程師應(yīng)組織供貨商技術(shù)人員和設(shè)計(jì)工程師對(duì)現(xiàn)場(chǎng)真空絕熱管線進(jìn)行實(shí)地測(cè)繪，針對(duì)設(shè)備接管位置、管道走向、外波紋管位置、管道固定支撐點(diǎn)間距等問(wèn)題達(dá)成一致，對(duì)真空絕熱管線進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，重新繪制管道單線圖，并在圖中將每一段管線的各個(gè)部位(直管段、彎頭、三通等)進(jìn)行編號(hào)，交貨時(shí)將管道單線圖中編號(hào)標(biāo)記在各部件上，以此確保真空絕熱管道順利安裝。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，得出以下結(jié)論：

(1)鋁合金與奧氏體不銹鋼常用于空分裝置的低溫管道。

(2)裝置冷箱內(nèi)管道采用珠光砂保冷；冷箱內(nèi)不銹鋼管道與鋁合金管道可采用慣性摩擦焊制作的鋁合金/不銹鋼異種金屬接頭連接。

(3)冷箱外低溫管道采用S30408制作成的真空絕熱管道保冷，相比于法蘭連接方式，焊接連接方式可大幅度降低真空絕熱管道管接頭漏熱量。

(4)真空絕熱管道的布置與管道支架的選用均需要供貨商提供產(chǎn)品參數(shù)方能最終確認(rèn)?？辗盅b置設(shè)備就位后，須對(duì)真空絕熱管線重新測(cè)繪，以保障真空絕熱管道工廠預(yù)制的精準(zhǔn)性。