浅谈石油化工装置中衬里管道的工程设计

2022-11-08

随着现代科学技术的飞速发展, 越来越多的化工产品走进人们的日常生活, 其中就有相当一部分具有很高的腐蚀性, 运送储存这些化工产品需要耐腐蚀性的材料, 单从耐腐蚀性来讲, 非金属材料有着绝佳的性能。但非金属材料强度较低, 做成容器和管道后承受不了化工生产所必须的压力。所以在工程应用上, 通常会根据相应的腐蚀性介质采用特殊的高合金钢, 如不锈钢, 钛合金, 哈式合金, 蒙乃尔合金等, 这些高合金钢对不同的特定介质有一定的耐腐蚀性, 能够满足工程所需的耐蚀性, 但由于密度大, 重量重, 单价高, 一旦大量使用, 就会造成工程投资的大幅提高。因此现在许多厂家为了节约成本, 对大量腐蚀性介质管道都普遍采用非金属衬里管道, 相比高合金钢成本低廉, 耐腐蚀性强, 又能保证强度的要求, 所以逐步得到了广泛的应用。

衬里管道其实就是碳钢管道或者铸铁管道内壁衬了一层非金属材料。根据腐蚀介质的化学性质不同, 内衬的非金属材料也有所不同, 目前, 工程应用中最常见的有以下几种:

1.聚四氟乙烯 (PTFE) 的衬里碳钢管道,

2.可溶性聚四氟乙烯 (PFA) 的衬里碳钢管道,

3.聚全氟乙丙稀 (FEP) 的衬里碳钢管道,

4.搪玻璃 (GLASS) 的衬里碳钢管道等等。

工程上最常用的是聚四氟乙烯 (PTFE) 的衬里管道。聚四氟乙烯有着极强耐腐蚀性能, 它几乎能耐任何浓度的强酸, 强碱, 强氧化性介质和有机溶剂, 耐化学腐蚀性能超过了现有的其它任何工程塑料。因此PTFE衬里管道被广泛应用于石化, 化工, 炼油, 制药, 冶金等领域, 目前, 这些产品除衬里管道外, 还有衬里设备 (如:塔, 容器, 泵等) 等。本文以环氧氯丙烷项目设计中遇到的衬里管线的一些设计问题做以下阐述:

一、衬里管道的选材

在甘油法生产环氧氯丙烷项目中头道工序是甘油制二氯丙醇, 在这道工序中共涉及三个工段, 第一个工段就是氯化反应工段, 这个工段中总反应方程式如下:

C3H8O3 (甘油) +2HCl (氯化氢) →C3H6Cl2O (二氯丙醇) +2H2O

第二道工序是环化制环氧氯丙烷生产单元, 此单元的主反应方程式如下:

从上述两个反应方程式可以看出该项目有酸、碱参与反应, 而酸、碱都具有很强的腐蚀性, 并且反应过程中还有卤水生成, 而Cl-具有很强的渗透性, 从以上反应介质及反应物的性质来看, 该反应不适于用碳钢及不锈钢材质, 因为它们极易引起金属的应力腐蚀破裂, 并且反应温度是在100-1400C之间, 对于一般的塑料材质如硬聚氯乙烯 (PVC-U) , 聚乙烯 (PP) , 聚丙乙烯 (PP) 等等都不合适, 而衬聚四氟乙烯的材料的温度适用范围为-200C

二、衬里管道的一般布置:

衬里管道的布置除了应满足《工业金属管道设计规范》GB50316的一般要求外, 根据衬里管线的特性及介质的化学性质, 还应满足以下几点要求:

1.输送腐蚀性介质的衬里管道布置时首先要满足工艺管道和仪表流程图的要求, 尽量做到步步高或步步低的无袋型布置, 尽量考虑架空敷设或者在地面上敷设, 不适宜埋地, 管线布置时宜有一定坡度, 以避免介质在管道内积聚。

2.管道架空敷设时, 应避免易泄露部位 (法兰、螺纹和填料密封等) 布置在人行通道或机泵的上方, 以免给人身及设备造成危害, 否则应增设安全防护措施。

3.布置在多层管廊上的腐蚀性介质的衬里管道宜布置在管廊的下层, 且不能布置在驱动设备的正上方。

4.衬里管线与其它管线并排布置时, 要充分考虑管线之间的最小间距, 因为衬里管线都是法兰连接, 而不是焊接或螺纹连接的, 会比焊接或螺纹管线占用更多的空间。

5.衬里管道不应与高温管道相邻布置, 也不应布置在高温管道上方有热影响的位置。衬里管道不得紧靠不保温的热介质管道。

三、衬里管线调节段的设置:

衬里管道不同于一般的钢质管道, 在设计时要考虑的因素很多, 在设计之前应与管线供应商进行有效的沟通, 以确定管线的最大长度及最小长度, 为布置管线走向及做三维模型做好准备, 因为在现场施工时, 衬里管线是不能像金属管线那样随便切割及焊接的, 衬里管道都是在制造厂加工完成后整体到货的, 衬里管线的管子与管子之间, 管子与管件之间, 管件与仪表之间的连接也都是靠法兰连接的, 因此, 为了避免不必要的返修, 衬里管线在设计时要考虑一定的活动管段, 也就是常说的调节段, 靠这些调节段来调节施工过程中出现的偏差, 调节段要在施工现场实际测量后再加工安装。在设计阶段, 调节段个数的设置有一定的原则, 一般情况下管线有几个方向的改变就设置几个调节段, 调节段的长度及位置视管道情况而定。

1.一个调节段:管线只在一个方向上走, 没有弯头改变方向, 就设置一个调节段。如下图一所示:

2.二个调节段:管线有一个弯头改变方向, 就产生了两个方向的距离, 那么这种情况就需要设置二个调节段, 如图二所示。而如果管线在同一平面内有两个弯头改变方向时, 那么这种情况也只需要设置两个调节段, 如图三所示, 调节段2可用调节段2’代替。当管线在同一平面内有三个以上弯头改变方向时, 也只需要设置两个调节段, 这两个调节段的位置可根据实际情况选取, 如图四所示, 调节段1也可以用调节段1’代替, 调节段2可以用调节段2’代替, 调节段优先选取在与设备相连接处, 其次选择在与管件连接处。

3.三个调节段:如果管线在行进中有两个及两个以上的弯头改变管道走向, 且管线不在同一平面内, 那么这种情况要设置三个调节段。如图五所示

综上所述, 一根管线无论有多长, 也不论管线中有几个弯头, 管线在东西, 南北, 上下这三个方向上布置时, 占用几个方向, 那么就设置几个调节段。

以上调节段的设置都是设计过程中的理想状态, 现场施工过程中会遇到各种各样的问题, 具体情况还应根据施工现场的实际情况解决。

四、衬里管线的垫片问题:

聚四氟乙烯衬里管线在设计、施工时大部分连接处是不需要垫片的, 因为在其法兰密封面已经有衬里层, 只要施加足够的紧固力即可充当垫片密封, 但是在衬里管线与其它材质的管线或者设备连接时, 为了达到更好的密封效果需要安装相应的垫片。另外, 当衬里管线中有经常拆卸的仪表时, 为了保护衬里层不被破坏, 还是最好安装相应的垫片。具体有以下几种情况:

1.聚四氟乙烯的衬里管线与搪玻璃衬里设备或管线连接时需要垫片, 垫片由设备生产厂家或管线生产商提供。

2.衬里管线与石墨衬里设备连接时也需要垫片, 垫片是由设备生产厂家提供。

3.聚四氟乙烯的衬里管线与衬里设备或其它金属管线连接时需要垫片, 垫片由管道专业提供。

4.衬里管线与在线仪表及分支仪表相连接时, 为了便于检修仪表及保护仪表法兰, 也需要垫片, 垫片由管道专业提供。

五、衬里管线的支架问题:

衬里管线支架的设置:衬里管线的支架设置原则与其它金属管线一样, 支吊架的间距应小于或等于管道的允许跨距, 管托应采用管卡式管托, 不能用焊接型管托。当有阀门等集中荷载时, 支架应布置在靠近集中荷载处。

以下是衬里管线在布置支架时要注意的几个问题:

1.衬里管线因其都是法兰连接, 在一定的空间里管线布置比较紧凑, 当没有足够的直管段可放置支架时, 其支架可以放在法兰处, 这样既不占用地方, 也比较方便, 经济。如图六所示:

2.以下几种情况要采用焊接支架:

a) 当竖直管线的支架是承重架时, 为了达到更好的承重效果, 此时管架最好采用假腿式的焊接管架, 假腿的个数依照管线的管径大小及支架的受力情况来确定, 一般情况下, 受力大时, 要采用两个假腿来支撑, 受力小的, 一个假腿就够了。

b) 当管架坐落在弯头处时, 无论管径大小, 都必须采用焊接的假腿型式做支撑。

c) 当水平管线上需要固定支架时, 为了达到固定管线的目的, 那么此支架也需要焊接型式的假腿支架。

如上几点, 当管线带有任意一个焊接支架时, 那么这根管线的单管图必须提供给材料生产厂家, 单管图上要绘出管架的详图, 注明管架的尺寸, 位置和型式 (如图七所示) , 让材料生产厂家提前预焊好。

六.其它问题

1.衬里管线都是运输腐蚀性极强的流体, 而衬里层又都有一定程度的渗透性, 当管线中含有渗透性极强的介质时, 介质就会渗透到衬里层外面, 从而腐蚀外面的碳钢管道, 时间一长, 就会造成管线渗漏, 为了有效地预防外层碳钢管道的腐蚀, 管材生产厂家一般都在金属外壁上开一放空口 (VENTHOLE) , 及时地把渗透的物质排出去, 从而减少腐蚀性物质的积聚, 在一定程度上减少管线的腐蚀。放空口的布置是根据管段的长度设置的, 当管段长度不大于457mm时, 开一个放空口, 放空口位于管线中间, 当管段长度大于457mm时, 需要两个放空口, 放空口的位置靠近两侧法兰, 放空口平时要用丝堵封着。另外为防止非金属管道在输送流体时产生静电积聚而引起爆炸和火灾危险, 含有这种易燃易爆流体的管道要安装静电接地极 (GROUNDINGSTUD) , 静电接地极安装在放空口的对面, 如图八所示。对于衬里管道, 在做三维模型时, 管道上的放空口及接地极是不体现在模型中的, 所以对这类管道, 一定要把支架位置考虑好, 支架位置应避开放空口及接地极。

2.衬里管线在设计过程中要考虑到对夹式蝶阀的布置, 为了方便蝶阀蝶板的启闭, 对夹式蝶阀不能与弯头直接相连, 因为弯头处的壁厚要比管子厚, 所以靠近弯头一侧要留一段直管, 如果空间实在有限, 放不下一段直管 (直管段的最小长度由材料生产厂家提供) , 那么就在弯头与阀门之间对夹一段约20mm的短管。如图九所示。

3.衬里管道与搪玻璃设备管口相连接时, 如果管口有阀门或经常拆卸的仪表件, 那么该阀门或仪表件不能与设备管口直接连接, 管口处要先加一段特定长度的短管, 然后再连接阀门或仪表。这样可以有效地保护设备管口的衬里层。如图十。

结束语

从以上几个方面可以看出:衬里管线的设计要比一般的金属管线复杂得多, 设计后期不仅仅要与材料生产厂家进行总材料的确认, 还要进行每根单管图的材料确认。因此设计时要考虑全面, 稍有疏忽, 就会造成现场返工, 造成材料的巨大浪费, 从而增加成本并且延误工期, 所以对工程设计者来说衬里管线的设计应该引起高度重视, 要多与业主沟通, 听取他们的合理建议, 设计出高质量的产品。

摘要：本文简单介绍了衬里管线在石油化工方面的应用, 通过实例分析了储运腐蚀性介质的衬里管道的选材, 重点介绍了衬里管线在工程设计中应注意并掌握的事项, 如衬里管线的调节段的设计规律, 管线支吊架的选用原则及布置, 衬里管线的垫片问题等等, 这几个方面在衬里管线的设计中非常重要, 应引起设计人员的高度重视。

关键词：腐蚀性,衬里管,调节段。