淺析含氟、含氯廢氣廢液焚燒裝置中襯塑鋼管道設(shè)計(jì)

祁艷軍，孫明明

（北京航天動(dòng)力研究所，北京 100176）

含氟、含氯廢氣廢液焚燒環(huán)保裝置可以對(duì)有機(jī)含氯、含氟廢氣廢液進(jìn)行無害化處理，此類環(huán)保裝置已廣泛應(yīng)用在氯堿、氟化工、農(nóng)藥等多個(gè)行業(yè)。

此類環(huán)保裝置通過焚燒爐的高溫焚燒以及急冷等后續(xù)工藝系統(tǒng)，將有機(jī)含氟、含氯有機(jī)廢氣廢液最終轉(zhuǎn)化為氫氟酸、鹽酸等，同時(shí)最終尾氣也達(dá)到了國家環(huán)保要求的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在此類裝置管道設(shè)計(jì)過程中，由于工藝流程特點(diǎn)及介質(zhì)溫度要求，涉及到含HCL、HF 等介質(zhì)的管線需使用襯塑鋼管道，常用為襯氟、襯PE 等鋼管道。其中襯氟塑料（PTFE）管道材料費(fèi)最高，甚至要遠(yuǎn)高于不銹鋼材質(zhì)管道。襯塑鋼管道一般占含氟、含氯焚燒環(huán)保裝置管道材料總成本的50% ～ 70%，基于此類管道特性及制作特點(diǎn)，有必要對(duì)該類管道設(shè)計(jì)進(jìn)行更進(jìn)一步的分析探 究。

1 襯塑鋼管道分類及適用范圍

襯塑鋼管道是以碳鋼管材作為基體，內(nèi)壁襯以化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良的塑料層管道，襯層厚度一般為幾毫米不等[1]。襯塑鋼管道根據(jù)襯塑層不同，主要分為襯聚丙烯（PP）、襯聚乙烯（PE）、襯聚烯烴（PO）、襯聚四氟乙烯（PTFE）、襯超高分子量聚乙烯（UHMWPE）。公稱壓力為PN10、PN16、Class150（PN20），公稱尺寸為DN 25 ～ DN 1 200 mm[2]。襯塑鋼管及管件的適用溫度如表1 所示。其中低溫?cái)?shù)值-25 ℃及-29 ℃僅適用于鋼管材質(zhì)為ASTM A106、A53 等美標(biāo)材料。若使用國內(nèi)20 號(hào)鋼鋼管材料，則低溫值應(yīng)高于-20 ℃。

表1 襯塑鋼管和管件的適用溫度Table 1 Applicable temperature of plastic-lined pipe and fittings

聚四氟乙烯（PTFE）屬于氟塑料中的一種，氟塑料還包括改性聚四氟乙烯（M-PTFE）、可熔性聚四氟乙烯（PFA）、聚偏氟乙烯（PVDF）、全氟乙烯丙烯共聚物（FEP）、乙烯和四氟乙烯共聚物（ETFE）[3]。氟塑料各種襯里材料規(guī)格如表2 所示。

表2 氟塑料襯里材料規(guī)格Table 2 Fluoro plastic specification of lined steel pipe

襯氟塑料鋼管及管件適用于設(shè)計(jì)壓力不大于2.5 MPa；使用介質(zhì)為氣體、液化氣體、蒸汽或可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、最高溫度高于或等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體；且公稱尺寸為DN 25 ～ DN 600 mm 范圍的管道。也適用于上述介質(zhì)、工況、直徑的耐負(fù)壓管道[4]。

2 襯塑鋼管道制作方法類別

根據(jù)襯里材料的不同及工藝介質(zhì)特性的要求，襯塑管制造工藝主要分為松襯、緊襯、滾襯、模壓等幾類；

松襯是指將內(nèi)襯塑管直接放入鋼管內(nèi)，兩端翻邊的襯塑方法。此類管線不適用于負(fù)壓管路使用，耐負(fù)壓性能較差。

緊襯是指通過一定的機(jī)械方法使襯里層與基體間無縫隙的襯里工藝。該工藝適用于所有類型氟塑料的管道及管件制作，此類管道耐負(fù)壓性能優(yōu)于松襯管道，但僅適用于低負(fù)壓、小口徑、溫度低的管路。

滾襯是指將塑料粉末熔融黏附在鋼體上，內(nèi)襯層有一定剝離強(qiáng)度的襯塑方式。

模壓是指以管子和管件的鋼體為外模，將塑料粉末均勻填放在管子和管件內(nèi)腔與模芯之間，施以一定壓力將粉末壓實(shí)后再進(jìn)行燒結(jié)的襯塑方式。該類型管道有較好的耐溫及耐壓性能，但制作成本較高。

3 襯塑鋼管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 襯塑材料選擇

由于含氯含氟有機(jī)廢氣廢液焚燒裝置中工藝介質(zhì)特性，該類裝置主要應(yīng)用襯聚四氟乙烯（PTFE）及襯聚乙烯（PE）鋼管，根據(jù)需要焚燒處理的工藝介質(zhì)腐蝕性、設(shè)計(jì)溫度的區(qū)別，選用合適的襯里材料。襯聚四氟乙烯（PTFE）的耐腐蝕性和耐溫性優(yōu)于襯聚乙烯（PE），價(jià)格也略貴，在兩種材料都能滿足工藝介質(zhì)的情況下，考慮到成本的控制，優(yōu)先選用襯聚乙烯（PE）。

3.2 襯塑鋼管布置

襯塑鋼管道布置除需滿足常規(guī)金屬管道布置要求外，還需要注意其特殊要求[5]；

（1）輸送腐蝕性介質(zhì)的襯里管道布置時(shí)宜有一定坡度，以避免介質(zhì)在管道內(nèi)積聚；

（2）非金屬襯里管道布置應(yīng)使管系具有必要的柔性。在保證非金屬襯里管道柔性及非金屬襯里管道對(duì)設(shè)備、機(jī)泵管口作用力和力矩不超過允許值的情況下，應(yīng)使管道最短，組成件最少；

（3）非金屬襯里管道布置時(shí)應(yīng)考慮支承點(diǎn)的位置，宜設(shè)置在法蘭接頭和閥門附近，并保證管道不發(fā)生于支承件脫離、扭曲、下垂或立管不垂直等現(xiàn)象；

（4）非金屬襯里管道應(yīng)采用卡箍型支吊架。如有必要采用焊接型的支吊架時(shí)，應(yīng)在襯里作業(yè)前施焊。不得對(duì)襯里后的管道施焊；

（5）非金屬襯里管道不應(yīng)與高溫管道相鄰布置，也不應(yīng)布置在高溫管道上方有熱影響的位置。非金屬襯里管道不得緊靠不保溫的熱介質(zhì)管道；

（6）非金屬襯里管道應(yīng)采取有效的防靜電措施；

（7）在非金屬襯里管道及管道組成件加工工藝允許的情況下，應(yīng)減少連接法蘭的數(shù)量。

（8）若非金屬襯里管道需要做蒸汽伴熱，為了避免溫度過高損壞襯里材料，襯里管與伴管之間應(yīng)加隔離塊。

3.3 壓力管道判定

在含氟、含氯廢氣廢液焚燒環(huán)保裝置實(shí)際管道設(shè)計(jì)過程中，某項(xiàng)目當(dāng)?shù)刭|(zhì)監(jiān)局及施工方以襯塑鋼管道沒有現(xiàn)場焊接工作為依據(jù)，認(rèn)為在管道特性表中這類管道不能劃分為壓力管道。但根據(jù)《特種設(shè)備目錄》2014 年修訂版中對(duì)壓力管道的定義及國家質(zhì)檢總局最終解釋，管道材料不作為壓力管道判斷依據(jù)。也即只要滿足壓力管道定義，襯塑鋼管道也屬于壓力管道范圍。

3.4 襯塑鋼管道采購文件注意事項(xiàng)

襯塑鋼管道在設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)將管道軸測(cè)圖和請(qǐng)購技術(shù)文件等一起提給襯塑鋼管道加工廠家。請(qǐng)購技術(shù)文件應(yīng)包含對(duì)襯塑鋼管和管件的各項(xiàng)常規(guī)技術(shù)要求和特殊技術(shù)要求，預(yù)制的公差要求、試驗(yàn)和檢驗(yàn)要求、防腐要求、包裝運(yùn)輸要求等。

請(qǐng)購技術(shù)文件中應(yīng)含有每根襯塑管道的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)信息，特別注意確認(rèn)是否存在負(fù)壓工況，如存在負(fù)壓工況，應(yīng)在管道數(shù)據(jù)表中單獨(dú)明確負(fù)壓具體參數(shù)。如果屬于壓力管道，還需供貨方廠家具備壓力管道元件制造、安裝資質(zhì)。

4 易出現(xiàn)的問題及避免措施

4.1 元件長度、尺寸問題

某含氟、含氯廢氣廢液焚燒項(xiàng)目，襯PTFE 鋼管道材料庫文件中工藝閥門長度類型為GB/T 12221 短型，設(shè)計(jì)人員經(jīng)與襯氟閥門供貨廠家確認(rèn)，其供貨長度也為短型。但在項(xiàng)目現(xiàn)場實(shí)際安裝過程中發(fā)現(xiàn)，實(shí)際閥門到貨長度仍為中型，后采取變更相關(guān)聯(lián)直管段長度以完成安裝。由于閥門長度問題，增加了項(xiàng)目額外的經(jīng)濟(jì)、時(shí)間成本。

由于襯塑鋼管道本身制作特點(diǎn)，襯塑鋼管道中任何元件的長度及尺寸必須準(zhǔn)確無誤，否則只能通過變更襯塑管長度解決安裝問題。在材料庫文件設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)與供貨方提前確認(rèn)襯塑鋼管道上的閥門及其他特殊件的安裝長度及尺寸。管道設(shè)計(jì)階段往往沒有閥門供貨商的尺寸，可按標(biāo)準(zhǔn)HG/T 3704 或GB/T 12221 進(jìn)行設(shè)計(jì)，采購詢價(jià)階段要求廠商按設(shè)計(jì)的長度供貨，若有偏差應(yīng)及時(shí)提出，修改3D 模型中的相關(guān)偏差后再出管道施工圖紙。

4.2 襯里方式問題

某含氯有機(jī)物焚燒項(xiàng)目中公稱直徑為DN 250 mm的酸性尾氣管道采用襯PTFE 鋼管及管件，管道供貨廠家根據(jù)自身常規(guī)供貨經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為此根管線會(huì)有負(fù)壓情況出現(xiàn)，自行將該管道的襯里方式由普通松襯提高為模壓工藝進(jìn)行商務(wù)報(bào)價(jià)。后經(jīng)我方設(shè)計(jì)確認(rèn)，該管線為氣體管線不存在負(fù)壓情況，最終采用松襯（推壓管）方式加工生產(chǎn)。兩種襯里方式材料費(fèi)用前后對(duì)比如表3 所示。由表3 可見松襯方式的管道材料費(fèi)僅占模壓方式管道材料費(fèi)的46.8%左右。由此可見，管道內(nèi)壓情況是影響管道襯里方式及材料費(fèi)的重要因素之一。管道設(shè)計(jì)人員在提交采購申請(qǐng)文件后，還應(yīng)對(duì)供貨廠家返回的報(bào)價(jià)文件進(jìn)行必要的技術(shù)審查。

表3 兩種工藝管道材料費(fèi)用對(duì)比Table 3 Comparison of material cost of two kinds of process pipeline

4.3 專業(yè)間溝通問題

部分含氟、含氯廢氣廢液焚燒項(xiàng)目工藝管道及儀表流程圖中，在水洗塔、堿洗塔上的循環(huán)液接口處均設(shè)置了波紋軟管（原意是考慮管道的膨脹），但實(shí)際情況是此處管線操作溫度40 ℃，設(shè)計(jì)溫度為70 ℃，通過合理配管，完全可以做到管道柔性化設(shè)計(jì)，即完全可以取消襯里波紋軟管。部分配管人員沒有與工藝專業(yè)進(jìn)行溝通，完全按照流程圖中標(biāo)示進(jìn)行了配管設(shè)計(jì)，造成了材料的一定浪費(fèi)。

5 精細(xì)化設(shè)計(jì)探究

5.1 設(shè)備布置

由于含氟、含氯廢氣廢液焚燒項(xiàng)目的工藝流程及介質(zhì)特點(diǎn)，襯塑鋼管道及管件，特別是襯PTFE 材料管道及管件材料成本，遠(yuǎn)高于不銹鋼材質(zhì)費(fèi)用，故在設(shè)備布置時(shí)，在滿足工藝流程要求及相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求的前提下，應(yīng)以縮短管道長度，減少彎頭等管件為基本設(shè)計(jì)原則。

現(xiàn)以含氟含氯焚燒裝置中水洗塔、堿洗塔與相應(yīng)循環(huán)泵的間距為例進(jìn)行分析，塔與其相應(yīng)泵的間距可以按照工藝流程圖并結(jié)合塔及管道尺寸進(jìn)行管道長度最優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體方法為：兩者間距理論值L=塔外徑/2+150 mm（管口伸出筒壁長度）+管道元件長度+泵入口與出口中心間距+150 mm（預(yù)留余量）。常規(guī)水洗塔、堿洗塔與泵間距優(yōu)化理論參考值如表4所示。根據(jù)具體項(xiàng)目情況，水洗塔、堿洗塔與相應(yīng)循環(huán)泵的間距可依據(jù)理論值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

表4 水洗塔、堿洗塔與循環(huán)泵間距優(yōu)化參考值Table 4 Reference value for optimization of spacing between water washing tower， alkali washing tower and circulating pump

其次，在確定設(shè)備的管口方位圖時(shí)，前后相鄰關(guān)聯(lián)設(shè)備的管口中心線應(yīng)盡量設(shè)置在一個(gè)平面內(nèi)，即減少彎頭及管道直段數(shù)量。臥式設(shè)備（降膜儲(chǔ)酸罐、急冷儲(chǔ)酸罐等）酸液出口位置應(yīng)調(diào)整到離循環(huán)泵距離較近的方位，即而減少酸液出口到循環(huán)泵入口間的管道長度。

5.2 管道設(shè)計(jì)

在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)之前，應(yīng)提前對(duì)管道布置進(jìn)行總體規(guī)劃，應(yīng)按照先主流程大尺寸襯塑鋼管道、后大尺寸工藝金屬管道，最后小尺寸管道的順序進(jìn)行整體規(guī)劃設(shè)計(jì)。由于襯塑管供貨廠家是依據(jù)單線圖進(jìn)行拆分加工詳圖，在管道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減少不必要的分段。對(duì)于從總管上需要多個(gè)分支接出的襯塑管道，應(yīng)在靠近用戶點(diǎn)位置時(shí)再進(jìn)行分支。

5.3 專業(yè)間深化協(xié)調(diào)

由于專業(yè)分工，各專業(yè)存在一定的設(shè)計(jì)界限，在管道設(shè)計(jì)過程中，需要配管人員對(duì)工藝的基本流程應(yīng)有一定的理解，對(duì)于可以減少或取消管道元件的情況應(yīng)及時(shí)與工藝人員進(jìn)行溝通。儀表專業(yè)需及時(shí)提供儀表閥門等安裝尺寸條件，著重注意元件的外形尺寸、法蘭壓力等級(jí)等重要參數(shù)。工藝專業(yè)需根據(jù)儀表專業(yè)所提儀表?xiàng)l件及時(shí)更新工藝PID 等相關(guān)設(shè)計(jì)文 件。

6 結(jié)論

（1）襯塑鋼管道襯里材質(zhì)及加工工藝，應(yīng)根據(jù)含氟、含氯廢氣廢液項(xiàng)目中各具體工藝介質(zhì)的特性、溫度及壓力情況確定；管道設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)襯塑鋼管道供貨廠家返回的報(bào)價(jià)文件進(jìn)行技術(shù)參數(shù)復(fù)審。

（2）襯塑鋼管道只要滿足壓力管道定義，也屬于壓力管道監(jiān)管范圍。

（3）根據(jù)含氟含氯廢氣廢液焚燒工藝流程特點(diǎn)，可以對(duì)襯塑管道進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，形成相對(duì)定型化的配管設(shè)計(jì)。