煤化工廢水項目中襯里管道的設計與安裝

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

我國能源表現(xiàn)為以煤炭能源為基礎，天然氣、石油及其他可再生新能源全面發(fā)展的結(jié)構(gòu)。但是，傳統(tǒng)的煤化工項目會產(chǎn)生大量的廢水，在國家“十三五”明確提出嚴格實行水資源管理制度的要求下，煤化工廢水的綜合處理及回收利用已成為各個煤化工項目亟待解決的問題[1-2]。目前，煤化工廢水處理工藝主要是先通過預處理(物化法)，再經(jīng)過生化法、膜處理(超濾、納濾反滲透等)使水中氨氮、COD等成分穩(wěn)定，最后由化學藥劑深度處理并蒸發(fā)結(jié)晶形成各項指標均符合標準的、無污染、可回收用水的過程[3]。

由于煤化工廢水中含有大量氨氮及有機酚類等污染雜質(zhì)，腐蝕性較強，特別是來自煤氣化脫硫工序的廢水，其中含有H2S等酸性雜質(zhì)，在處理過程中，需考慮廢水對管道的腐蝕及裂化影響[4-5]。目前，工程中主要應用四種方法來對其進行防腐處理：①含腐蝕余量的碳鋼管道；②含抗腐蝕添加劑的碳鋼管道；③固體耐腐蝕性合金鋼管道；④內(nèi)襯高聚物的襯里管道。前兩種方法雖然可以抵抗管道裂化，但防腐蝕效果不穩(wěn)定，且高腐蝕余量意味著管道壁厚的增加，為管道加工增添困難且會增加成本[6]。所以，在含酸性介質(zhì)的化工項目中，通常使用后兩種管道作為管道材料。煤化工廢水處理項目中，性價比較高的襯里管道更為常見。

1 煤化工廢水項目中常見襯里管道的特性

襯里管道是指內(nèi)襯高聚化合物材料的碳鋼管道，第一根襯里管道在20世紀40年代后期出現(xiàn)在美國，使用的第一種內(nèi)襯材料是PVDC。相比耐腐蝕合金鋼管道(如不銹鋼材料316L、 2205和2507)，襯里管道在經(jīng)濟性上更為合理，有效使用襯里管道可以更好地控制項目成本，降低項目風險[6]。常見的管道內(nèi)襯材料見表1。

表1 部分高聚物材料性能

由表1可知，不同的內(nèi)襯材料決定了襯里管道的耐化學性，在煤化工廢水項目中，常見的內(nèi)襯材料為聚四氟乙烯(PTFE)和聚烯烴類(PO)中的乙烯-丙烯酸共聚物(EAA)材料。

1.1 內(nèi)襯EAA襯里管道

將乙烯-丙烯酸共聚物內(nèi)襯到碳鋼鋼管之中，構(gòu)成EAA襯里管道，該種類型的管道是復合結(jié)構(gòu)材料之中最廣泛的形式之一。EAA襯里管道具有較多的優(yōu)點。

(1)該種襯里管道既具有EAA的耐腐蝕性，同時也保持了碳鋼的機械性能和抗壓性能[7]。

(2)EAA具有優(yōu)異的耐磨性能、較好的吸振性能，且具有優(yōu)異的防污性能，可減少結(jié)垢，清理周期較一般鋼管長[8]。

(3)EAA材料抗老性能較強，其使用壽命在正常壓力及溫度下可達15年以上，且可以反復使用。

(4)EAA材料與耐腐蝕性金屬管相比，除具有顯著的成本優(yōu)勢，還有安裝簡單方便、制作周期短、可緩解工期進度壓力等優(yōu)點。

在煤化工廢水處理項目中，EAA襯里管道用于輸送較低溫度、1.6MPa(g)或1.0MPa(g)的煤化工反滲透濃水等介質(zhì)。

1.2 內(nèi)襯PTFE襯里管道

PTFE為聚四氟乙烯，由于其具有耐高溫、性能穩(wěn)定等特點，在工業(yè)上有著廣泛的應用，被稱作“塑料之王”[9]。PTFE襯里管道相比其他內(nèi)襯高聚物管道，具有更好的耐高溫性能、耐壓性能及耐化學性能。

(1) 耐高溫性能。PTFE襯里管道適用溫度范圍為-29℃～180℃，遠大于EAA等襯里管道的溫度適用范圍[10]。 且其在200℃溫度下，仍然保持耐酸耐堿性，使其應用更加廣泛[11-12]。

(2) 耐壓性能。PTFE襯里管道在正常溫度適用條件下，可耐受高達3MPa(g)的壓力，在化工項目中，多用于需要高溫高壓的環(huán)境。

(3) 耐腐蝕性能。PTFE具有極強的化學穩(wěn)定性，幾乎能耐受除某些熔融金屬及高流速液態(tài)氟等介質(zhì)以外的所有化學物質(zhì)的腐蝕[13]，在煤化工廢水項目中，主要用于稀硫酸等高腐蝕性介質(zhì)的運輸。

2 煤化工廢水項目中襯里管道的設計

相比于普通碳鋼管道或合金鋼管道，襯里管道在管件連接形式、管道布置、管道支架設計等方面有著其特殊的要求。并且，在煤化工廢水處理項目中，較多使用大口徑襯里管道，其設計與安裝更需要工程設計人員對其進行深入研究。

2.1 管道連接

2.1.1法蘭

由于襯里管道內(nèi)襯高聚物，施工時不可動火明焊，所以其管件均需通過法蘭連接。同時，襯里管道與鋼制管道不同，其直管段有標準要求，可以視為與三通、彎頭、異徑管相似的管件。根據(jù)襯里管道直管段法蘭型式，可將其分為3種型式(見圖1)。

圖1 襯里管道法蘭型式

應用平焊法蘭時，可能會出現(xiàn)螺栓孔對接困難，導致需要管道拆卸返工的問題。在煤化工廢水項目中，大管徑水管較多，在設計時應當充分考慮管道的安裝與拆卸，使用松套法蘭，則可以解決上述問題。通常，在以下情況中，使用松套法蘭較平焊法蘭更為合理：①在管道變徑、變向及三通位置；②管件與管件，管件與設備管口連接位置；③大管徑閥門或儀表連接位置；④大管徑管道單方向長距離布置時，其端部位置。

另外，在某些特定環(huán)境，如相鄰兩裝置之間，也常設置松套法蘭，方便管道之間的連接[14]。

2.1.2墊片

由于襯里管道在制作時會對其法蘭面進行襯里(見圖1)，所以在兩個標準直管段(定長管)連接時通常無需添加墊片，襯里管道自身即可對管系進行密封。但是，在以下情況時，需添加墊片，防止泄漏。

(1) 襯里管道與鋼制管道連接。如襯里管道埋地變更管道材料時，煤化工廢水處理項目中有大量的襯里管道需埋地進入地下反應池設備，此時，為便于安裝，多將管道材料由襯里鋼管變更為耐腐蝕合金鋼材料，在材質(zhì)變更時，襯里管道與埋地管道法蘭之間應增加墊片，防止鋼管損壞襯里層。

(2) 管道與設備管口、需要經(jīng)常拆卸的管件、閥門連接時，為了避免磨損導致介質(zhì)泄漏，需在連接處增加墊片。

襯里管道是否選用墊片需根據(jù)項目實際情況確定，需要結(jié)合介質(zhì)類型、管道布置的具體情況綜合考慮。

2.2 直管段的設置

2.2.1定長管的設置

襯里管道直管段可分為定長管和調(diào)整段。定長管即生產(chǎn)廠家根據(jù)標準在其工廠預先制定的標準直管段，EAA、PE、PO等襯里管道定長管長度一般設置為1 000mm、1 500mm、2 000mm、3 000mm、4 000mm、6 000mm。最大長度由管道公稱直徑?jīng)Q定(見表2)。PTFE襯里管道與其他高聚物襯里管道不同，其最大長度一般小于4 000mm。

表2 襯里鋼管最大尺寸

注：表中單位mm，表中數(shù)據(jù)為參考數(shù)據(jù)，可根據(jù)設計要求與供貨方協(xié)商確定鋼管長度[10]。

2.2.2調(diào)整段的設置

若將襯里管道直管段全部設置為定長管，則項目施工現(xiàn)場很可能出現(xiàn)由于施工誤差導致定長管無法安裝的情況。所以，襯里管道在設計過程中，通常需要在其直管段設置調(diào)整段來避免誤差(見圖2)。

圖2 襯里管道調(diào)整段示意

調(diào)整段的長度由管道設計具體條件來確定，一般不宜小于200mm，不宜大于1 000mm，否則現(xiàn)場制作比較困難。在煤化工廢水處理項目中，調(diào)整段的設置需遵循以下原則。

(1) 襯里管段每一個方向均需至少設置一個調(diào)整段(見圖2)。由于管道走向的改變或支管的連接，每一個方向都會形成一段新的直管，此時，需要在每一段直管上設置一個調(diào)整段。

(2) 大管徑管道在同一方向直管段較長時，需在端部設置一段調(diào)整段，如有需要，可以設置兩段調(diào)整段。由于大管徑管道安裝及拆卸較為困難，為避免重復安裝返修，在其端部設置調(diào)整段有利于施工。

(3) 調(diào)整段應設置在靠近設備管口、特殊儀表、特殊閥門附近。因為這些地方需要經(jīng)常檢修維護，并且在煤化工廢水項目中，特殊儀表、閥門、一些外包設備到貨資料較晚，調(diào)整段設置在附近，可以盡可能地減少施工工作量。

(4)調(diào)整段應集中布置，且調(diào)整段應盡可能布置在易操作位置。由于調(diào)整段通常布置在管線端部，且最后施工，所以將調(diào)整段布置在方便安裝、操作的位置，可以提高施工工作效率。

2.3 襯里管道管件

防腐襯里管道的管件與管道之間均采用法蘭連接。彎頭、三通、異徑管等管件均制造成法蘭式(見圖3)。如2.1.1節(jié)所述，為方便管道安裝，襯里管道的管件與直管段之間可采用平焊法蘭連接，但管件與管件、管件與設備管口之間，優(yōu)先采用松套法蘭進行連接。

與鋼制管道相比，襯里管道的管件兩端需預制法蘭，其法蘭面與管件軸心直管段長度應設置為可供調(diào)整的管件直管段(見圖3)。管件直管段長度和規(guī)格應符合以下要求。

(1) 當DN≤50mm時，管件之間、管件與直管之間管件直管段長度不應小于150mm；與管件相連的直管調(diào)整段長度不應小于100mm。

(2) 當50mm

(3) 當DN≥250mm時，管件直管段及相連直管調(diào)整段長度不應小于350mm。

圖3 襯里管件(彎頭、三通、異徑管)示意

彎頭、三通、異徑管的具體尺寸由制造廠商確定，尺寸誤差在直管調(diào)整段中進行調(diào)整。

2.4 支架的設置

襯里管道在支架設置時，除了需要遵循管道支架設計的一般標準外，還有著自己的特殊要求。若在襯里管道上設置焊接型支架，則會損壞襯里管道外層鋼管與內(nèi)層高聚物的密合性，可能會導致管道泄漏，因此，一般情況下，襯里管道的支架多采用非焊接型的單螺栓型管架、雙螺栓型管架、托板型管架(見圖4)。支架應靠近法蘭、閥門、管件設置。對于輸送含污泥廢水的大管徑襯里管道，在滿足支架設計標準間距的同時，應盡可能在每一段定長管上設置一個支架。

圖4 襯里管道支架

煤化工廢水處理項目中，某些位置由于管道應力的需要，必須使用焊接型支腿管架，此時，需將此種管架與其所焊直管段做特殊件處理，由制造廠家預先制備，不與其他管架合并編入《管道支架表》中。

3 煤化工廢水項目中襯里管道的安裝

在煤化工廢水處理項目中，襯里管道的用量較多，若對襯里管道的安裝要求不加重視，則可能造成人工與材料的浪費，甚至延誤工期。因此，從設計階段開始，工程技術(shù)人員即需對襯里管道的安裝加以考慮。

(1) 安裝過程應避免破壞高聚物襯里層。襯里管道內(nèi)層多為高聚物材料，其物理、化學特性決定了過高溫度會使襯里層變形、損壞，因此，熔融焊接、火焰切割等高溫施工作業(yè)不得接近襯里管道；同時，對管道內(nèi)層與外層作用力有損害作用的扭曲、敲打等施工作業(yè)，也不可在襯里管道安裝過程中發(fā)生。

(2) 襯里管道公稱直徑在DN500以上時，施工人員可以鉆進管道內(nèi)部進行內(nèi)襯操作[15]。但對于小于DN500的襯里管道，設計人員應當將儀表、取樣點靠近直管端部設計，以方便施工人員在進行焊接支管后的內(nèi)襯操作時，能在靠近主管的一端進行涂抹。

(3) 襯里管道安裝過程中，可能由于施工誤差導致直管段出現(xiàn)一定尺寸的負偏差，若誤差在10mm以內(nèi)，可用加厚墊塊來調(diào)整，由于墊塊材料一般為聚乙烯，此時需在兩端增加墊片后進行密封。

(4)襯里管道外層應設置安全放氣孔，其作用為釋放高聚物內(nèi)層與鋼制外層之間由于襯里過程升溫產(chǎn)生的氣體，放氣孔應做相應防護措施，避免堵塞。

(5)敷設在管廊上的襯里管道，設計階段應考慮安裝過程中各管段連接時的法蘭碰撞問題，襯里管道定長管、調(diào)整段、管件等連接處法蘭應避免與管廊結(jié)構(gòu)梁碰撞，成排管道之間應留出足夠凈距，襯里管道不宜與高溫管道布置過近。

(6)針對特殊位置的配管，非標準長度的管道現(xiàn)場預安裝后，再返回進行襯里加工。

4 結(jié)語

與其他含腐蝕性介質(zhì)的化工項目相比，煤化工廢水處理項目中，廢水介質(zhì)更為復雜，介質(zhì)組分更加不穩(wěn)定。因此，無論從經(jīng)濟上還是功能性上，化學性能穩(wěn)定的高聚物襯里管道均是廢水處理項目管材選用上的發(fā)展趨勢。

相比其他金屬材料管道，襯里管道的設計更為復雜，材料統(tǒng)計更為精細，因此，工程設計者應從管道的設計、安裝、襯里材料的選擇等多方面綜合考慮，合理、合規(guī)地對其進行布置，從而提升工程質(zhì)量，保證工程進度，減少項目投資。