某空分裝置中液氧管道的保冷設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

包振興

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

在某空分裝置中其最終產(chǎn)品液氧具有深冷的特性（操作溫度為-185°）[1]，且一旦保冷失效引起冷量損失會引起液體氣化使管道內(nèi)壓力升高，會導(dǎo)致管道上的安全閥頻繁起跳，使得提純出來的氧氣被排放掉，造成經(jīng)濟(jì)損失。

1 液氧管道的保溫形式選擇

對于深冷環(huán)境，常用以下三種保冷形式：

（1）泡沫玻璃保冷材料：

其推薦使用溫度范圍為-196～400 ℃。

（2）珠光砂填充保溫形式：

其推薦使用溫度范圍為-200～800 ℃。

（3）真空夾套管（VJP）保溫形式：

由于真空的理論熱傳導(dǎo)能力為零，其冷量損失僅為熱輻射，所以其保冷能力強(qiáng)。并且其外管保溫為真空形式，其保溫所需的設(shè)計(jì)厚度也比實(shí)體保溫材料要薄很多，更便于管道的空間利用和施工。但是，真空管道造價(jià)較高，在有管道分支的地方，管件需要定制會大大增加經(jīng)濟(jì)成本。

常用保冷材料特性表，詳見表1[2]。

表1 常用保冷材料特性表Tab.1 Character of cold insulation material

綜合上述溫度參數(shù)要求，結(jié)合空分裝置中液氧管道的特性，空分裝置中的液氧產(chǎn)品管線，采用了真空夾套管（VJP）結(jié)合珠光砂填充的冷保溫形式。而避免采用保溫厚度較厚的泡沫玻璃保溫設(shè)計(jì)形式。以滿足介質(zhì)的低溫環(huán)境，同時減小保溫厚度降低施工難度，提高保冷的經(jīng)濟(jì)性這三項(xiàng)因素[3]。

2 空分裝置中液氧管道的保溫設(shè)計(jì)

在空分裝置中液氧管道主要分布在從冷箱出口至液氧罐和液氧裝車泵處。

通常有a.布置在管廊上的直管；b.與設(shè)備和泵的管口相連的管道與管件；c.液氧集合管等主要管道形式。

結(jié)合上述不同的管段形式，我們考慮了a.外夾套保溫（CR）；b.真空夾套管保溫（CV）兩種保溫選型用于液氧管道的保溫選型。詳見表2[4]。

表2 液氧產(chǎn)品管道保溫形式選用表Tab.2 Different type of insulation on liquid oxygen product

（1）對于a類型的直管段，其管道元件一般由直管和彎頭組成，為減小施工難度和保溫厚度，裝置中采用真空夾套管保溫（CV）的形式，以真空夾套管（VJP）減少施工量提高經(jīng)濟(jì)性。

本裝置中內(nèi)管用于輸送產(chǎn)品液氧，要滿足其介質(zhì)的深冷特性和管材的耐久性，選用了液氧環(huán)境下的304不銹鋼無縫鋼管[5]。同時，因考慮當(dāng)?shù)匮谉岷惋L(fēng)沙環(huán)境和焊接便利性，夾套外管也選用同內(nèi)管材質(zhì)一致的奧氏體不銹鋼材料。在設(shè)計(jì)和施工中，夾套管由第三方供貨商二次設(shè)計(jì)后并在工廠內(nèi)完成預(yù)制焊接和管線抽真空步序，隨后將成品管段運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場拼接安裝。

（2）對于b和c類型的管段，其路徑上含有法蘭、閥門、三通和支管臺等多種管件，若采用真空夾套管保溫（CV）的形式需要在管道上做很多特殊件，成本較高。且集合管所需的保溫外管徑會比內(nèi)管大很多（外管徑可能是內(nèi)管徑的3～10倍）。

因此，我們采用的是外夾套管保溫（CR），對外管選用更便于施工的碳鋼管和碳鋼板材現(xiàn)場拼接制作，以降低施工制造成本。并在焊接后的外套桶和內(nèi)管之間填充珠光砂保冷材料。

常用管道材料適用溫度表，詳見表3[6]。

表3 常用管道材料適用溫度表Tab.3 Design temperature of steel

3 液氧管道的設(shè)計(jì)

液氧管道的設(shè)計(jì)時，除了滿足工藝要求和裝置當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)規(guī)范外，還應(yīng)滿足低溫和氧氣管道的特點(diǎn)規(guī)范的要求。

3.1 考慮專利商對液氧管道的布置要求和滿足當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)規(guī)范要求

（1）液氧管道連接儲罐與泵時，必須設(shè)置人為“液袋”，液袋處設(shè)置放凈并從管道底部引出，以排出開停車階段可能積聚在管道底部的碳?xì)浠衔颷7]。推薦的液氧管道上熱膨脹閥和排凈管路配管布置，詳見圖1。

圖1 推薦的液氧管道上熱膨脹閥和排凈管路配管布置Fig.1 Recommended piping arrangement of thermal expansion valve and purge line on liquid oxygen piping

（2）管道切斷閥之間應(yīng)設(shè)置安全閥，以防止閥門切斷時，管道中的液體因熱輻射膨脹后壓力升高。

3.2 考慮低溫管道設(shè)計(jì)要求

（1）管道布置時應(yīng)使管道盡量短，彎頭盡量少，且盡量避免“液袋”的產(chǎn)生；

（2）盡量考慮管道自然補(bǔ)償，以滿足低溫柔性要求；

（3）在布置管道時需要在法蘭、三通和支管連接處留有足夠的直管段，以安裝保溫外套管；

（4）管路上的閥門應(yīng)水平布置。

4 液氧管道保溫的支撐設(shè)計(jì)

對于真空夾套管（VJP）保溫和外夾套保溫管道，其保溫結(jié)構(gòu)均需要考慮內(nèi)管的支撐和外管的支撐設(shè)計(jì)。

4.1 真空夾套保溫（CV）形式的支撐設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中的真空夾套保溫（CV）以真空夾套管（VJP）的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。其流程是由管道專業(yè)先通過三維模型給出管道的基本走向，再由真空夾套管（VJP）制造廠家根據(jù)走向進(jìn)行二次分段設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)中，夾套管供貨商考慮夾套內(nèi)管和外管間的支撐設(shè)置，以滿足真空管的整體剛度要求，并考慮在外管上設(shè)置膨脹節(jié)，以吸收內(nèi)管正常運(yùn)行時產(chǎn)生的低溫收縮能力（輸送液氧產(chǎn)品時）和常溫拉伸能力（無液氧產(chǎn)品時），膨脹節(jié)需靠近彎頭或設(shè)備連接點(diǎn)設(shè)置。

由管道設(shè)計(jì)專業(yè)考慮夾套管的整體剛性支撐，每段外管較長，為了保證外管剛度需要在內(nèi)管外表面每隔1.5 m左右距離設(shè)置一個支撐，以支撐外管，隨后采用改變管道走向的方式消除外部熱應(yīng)力?？紤]到對真空管道的保護(hù)，設(shè)置在夾套管外部的支架以抱卡式為主。真空夾套管（VJP）管道內(nèi)外管支撐示意圖詳見圖2。

圖2 真空夾套管（VJP）內(nèi)外管支撐示意圖Fig.2 Schematic diagram of the support of the inner and outer tubes of the vacuum jacketed tube （VJP）

4.2 外夾套保溫（CR）保溫形式的內(nèi)管和外管支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中的真空夾套保溫（CV）以在輸送介質(zhì)的內(nèi)管外焊接外套桶，并在內(nèi)外管間填充珠光砂保溫的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。其流程是根據(jù)管道專業(yè)的設(shè)計(jì)走向，在現(xiàn)場通過卷板的形式，制作外套桶并焊接，并在內(nèi)外管之間填充珠光砂后抽真空。

在設(shè)計(jì)中此類保溫形式多用于裝置中閥門、設(shè)備口和支管連接周邊，保溫范圍不大、保溫內(nèi)的管道不長。其內(nèi)管的支撐設(shè)計(jì)主要考慮按跨距在外管上焊接鋼梁以起到承重和導(dǎo)向作用。外管的支撐設(shè)計(jì)則將內(nèi)外管以整體形式考慮用抱卡支架支撐。由于外管為卷板，壁厚較薄，需要在每段夾套處設(shè)置至少一個支架以滿足跨距要求。珠光砂填充保溫形式內(nèi)外管支撐示意詳見圖3。

圖3 珠光砂填充保溫形式內(nèi)外管支撐示意圖Fig.3 Schematic diagram of inner and outer pipe support in the form of pearlescent sand filling and insulation

5 液氧管道不同保溫的填充方式

5.1 真空夾套管（VJP）的保溫材料填充方式

真空夾套管（VJP）由制造商在工廠內(nèi)分段預(yù)制內(nèi)管、纏繞保溫棉并焊接外管和抽真空后運(yùn)輸至現(xiàn)場。在施工現(xiàn)場，需要將分段供貨的真空夾套管（VJP）焊接起來，并在焊接處焊上外套桶，并填充珠光砂和抽真空以起到密封作用。

（1）內(nèi)管的預(yù)制會將管道和管件以長度4 m×寬度2 m左右的管段進(jìn)行焊接預(yù)制，以方便裝箱運(yùn)輸。

（2）預(yù)制后的管段先要在管外涂抹膠水并纏繞保溫棉后再焊接焊板和外管。

（3）焊接完外管的夾套管需要檢測后進(jìn)行抽真空，達(dá)到真空度為常溫下25 Pa以下即完成抽真空[8]。

（4）為將各個管段連接起來，在管段運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場后需要把內(nèi)管先焊接起來，并在內(nèi)管焊接街頭處焊接上外套桶，用以填充珠光砂并抽真空。真空加套管（VJP）內(nèi)外管安裝及保溫材料示意詳見圖4[8]。

圖4 真空加套管（VJP）內(nèi)外管安裝及保溫材料示意Fig.4 Schematic diagram of the installation of inner and outer pipes of vacuum plus casing （VJP）and insulation materials

5.2 外夾套保溫管道的保溫材料填充方式

外夾套保溫的內(nèi)外管道均在現(xiàn)場焊接完成，并通過外管上的填充口填充珠光砂后密封。填充完珠光砂的保溫管道需抽真空。

（1）先將內(nèi)管按圖紙焊接，隨后按下述表格的內(nèi)外管口徑對應(yīng)原則選擇外管，焊接好管件處的外管和焊板。內(nèi)外管口徑對應(yīng)選擇原則詳見表4[5]。

表4 外夾套保溫形式的內(nèi)外管徑選擇參考表Tab.4 Inner &Outside Pipe Size of Jacket Type-cold Insulation

（2）在焊接完管道后，對內(nèi)外管連接處采用巖棉加密封膠形式（專利商工藝）進(jìn)行豁口密封。外套管材料填充及密封方式示意詳見圖5。

圖5 外套管材料填充及密封方式示意Fig.5 Schematic diagram of the filling and sealing method of the outer casing material

（3）從填充口處沖入珠光砂、敲實(shí)后密封。

6 設(shè)計(jì)中問題的探討和總結(jié)

綜上所述，對于空分裝置中的深冷工況產(chǎn)品管道，應(yīng)從介質(zhì)特性和操作溫度兩個因素出發(fā)選擇保溫形式。并根據(jù)管道上管件的設(shè)置情況采用真空夾套管（VJP）保溫與珠光砂填充保溫這兩種形式相結(jié)合的方式進(jìn)行保溫設(shè)計(jì)以節(jié)省制造成本。

對于這兩種不同的保溫形式的施工，需要從保溫材料、制造方式、支架設(shè)置和內(nèi)外管的安裝上進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，以完成此類深冷管道的保溫。

在設(shè)計(jì)過程中，尤其要注意以下兩點(diǎn)問題并進(jìn)行優(yōu)化：

6.1 內(nèi)外管道的支架設(shè)置

由于液氧產(chǎn)品管道的超低溫特性，使得管道需要面對冷縮的問題，這與化工裝置中常見的熱脹情況正好相反。同時，外管不接觸介質(zhì)但是接觸環(huán)境溫度的特性，使得在設(shè)置外管支架時，還需要考慮裝置當(dāng)?shù)馗邷囟鸬臒崦泦栴}。因此，需要通過應(yīng)力專業(yè)分別計(jì)算內(nèi)外管的熱膨脹和冷縮的情況合理設(shè)置內(nèi)外膨脹節(jié)和外管支架，以避免管道因應(yīng)力過大而破 裂。

6.2 保溫的填充問題

對于真空夾套管（VJP）其制造在工廠完成，焊接、檢驗(yàn)和管道質(zhì)量有保障，管道不容易損失冷量，有較好的保溫效果。在現(xiàn)場組裝時，只要做好內(nèi)管間的套筒密封。

而珠光砂填充保溫，由于其外管在現(xiàn)場焊接并密封，容易存在泄漏情況。因此在對于閥門和支管連接件處，需對外管在焊接后進(jìn)行焊縫檢驗(yàn)，同時在完成焊接后通過巖棉填充和涂抹密封膠的方式加固內(nèi)外管道間的縫隙密封。

真空夾套管（VJP）保溫和珠光砂填充保溫廣泛應(yīng)用于各類深冷工況下。因此，合理地選擇保溫形式能更好地節(jié)省項(xiàng)目施工成本，同時保證管道的保溫效果。為相似裝置的保溫選擇提供了參考。