李 峰
華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065
隨著化工新工藝的不斷發(fā)展,在化工裝置中腐蝕性流體的應(yīng)用也越來(lái)越多,為了滿(mǎn)足腐蝕性流體對(duì)管道材料的抗腐蝕要求,非金屬襯里管道的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
非金屬襯里管道就是以碳鋼管道或鑄鐵管道為載體、在管道內(nèi)壁敷設(shè)非金屬材料,二者結(jié)合為一體的管道。非金屬襯里管道對(duì)管內(nèi)流體有較強(qiáng)的耐化學(xué)腐蝕能力,對(duì)大多數(shù)無(wú)機(jī)酸、有機(jī)酸、堿及各種鹽類(lèi)、醇類(lèi)等都耐腐蝕,同時(shí)鋼管有較強(qiáng)的剛度和強(qiáng)度,因此,被廣泛應(yīng)用于化工裝置中各種耐腐蝕或有特殊要求的流體輸送中。非金屬襯里具有保護(hù)金屬或其他基體免受各種流體侵蝕的能力,并有良好的彈性、耐磨性、抗沖擊性及金屬和其他基體的粘合性能。但是非金屬襯里管道施工過(guò)程復(fù)雜,含內(nèi)、外焊接,焊縫的打磨、噴砂、襯膠、硫化、預(yù)組裝、回裝等工序。目前各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范鮮有對(duì)襯膠管道設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性條文,如果配管不當(dāng),會(huì)造成制造和安裝的重復(fù)和返工,增加費(fèi)用,延誤工期,因此,非金屬襯里管道的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。
由于不同化工流體對(duì)管道材料腐蝕程度及使用場(chǎng)合的不同,內(nèi)襯非金屬材料的種類(lèi)也就不同。設(shè)計(jì)中選用相關(guān)襯里材料時(shí),應(yīng)以具體標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),還應(yīng)根據(jù)流體介質(zhì)腐蝕性、使用壓力、使用溫度、材料成分與性能差異以及襯里制造商的化學(xué)品防腐數(shù)據(jù)等因素綜合考慮,最終確定輸送流體的具體內(nèi)襯材料。非金屬襯里材料的使用范圍見(jiàn)表1。
除以上襯塑類(lèi)襯里管道外,還有內(nèi)襯復(fù)合陶瓷管道和內(nèi)襯搪玻璃管道等。內(nèi)襯陶瓷復(fù)合管道適用于輸送含有固體顆粒的兩相流介質(zhì),適合使用在流體對(duì)管壁有強(qiáng)烈撞擊、沖刷,對(duì)管道內(nèi)壁有長(zhǎng)期磨損和腐蝕的地方。內(nèi)襯搪玻璃管道可以抗氫氟酸和工業(yè)磷酸以外的大多數(shù)酸的侵蝕,除了防止酸蝕的作用外,玻璃襯里還有抗磨蝕的優(yōu)點(diǎn)。
表1 非金屬襯里管道的使用范圍
在化工行業(yè)中,非金屬襯里管道主要應(yīng)用在酸、堿、鹽制造業(yè)、石油、化工、化肥、制藥、紡織、印染、橡膠塑料等行業(yè)輸送腐蝕性流體的管道中。
以某無(wú)水氟化氫項(xiàng)目為例,對(duì)酸濃度較高、設(shè)計(jì)溫度較高的介質(zhì)(如氫氟酸,濃硫酸,氟硅酸,HF氣體等)采用內(nèi)襯PTFE的管道輸送;對(duì)操作溫度低于70℃的流體介質(zhì)(四氟化硅、廢氣、氟硅酸)采用內(nèi)襯PP的襯里管道輸送?,F(xiàn)場(chǎng)使用情況見(jiàn)圖1。
圖1 某無(wú)水氟化氫項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)襯里管道配管情況
在另一項(xiàng)目中,對(duì)輸送HCL、NACL的管道采用內(nèi)襯PTFE的襯里管道,見(jiàn)圖2。
圖2 某項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)襯里管道配管情況
非金屬襯里管道即在碳鋼管道內(nèi)襯非金屬材料的膠板,在內(nèi)襯完膠板后,不能在管道的任何部位進(jìn)行焊接,否則膠板會(huì)受熱破壞,因此,襯里管道需分段設(shè)計(jì)且必須全部采用法蘭連接,管道、彎頭、三通、四通、異徑管、閥門(mén)等均需制成法蘭式。襯里管道一般為兩端帶法蘭,一端為固定式平焊法蘭,另一端為松套法蘭或者固定式平焊法蘭,松套法蘭可以直接與工程中的管道、設(shè)備管口用螺栓連接。由于襯膠長(zhǎng)度受限,管道不能過(guò)長(zhǎng),否則很難完成襯膠,最短長(zhǎng)度要滿(mǎn)足工業(yè)管道兩端法蘭焊接要求,一般最短長(zhǎng)度根據(jù)HG/T20592-2009法蘭尺寸計(jì)算可得,見(jiàn)表2。襯里管道與管件見(jiàn)圖3。
表2 襯里鋼管的最大及最小尺寸 (mm)
圖3 現(xiàn)場(chǎng)襯里管道及管件
襯里管道制造商根據(jù)每根管道的單線圖設(shè)置固定段與調(diào)節(jié)段。固定段由廠家按圖加工,成品運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng),安裝時(shí)由調(diào)節(jié)段來(lái)調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)施工誤差,安裝完成后拆下調(diào)節(jié)段,在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行襯膠,然后回裝調(diào)節(jié)段。這種安裝方式適用范圍廣,減少了來(lái)回運(yùn)輸?shù)墓ぷ?,回裝的工作量也會(huì)比較少(只有調(diào)節(jié)段進(jìn)行回裝),但是對(duì)設(shè)計(jì)的合理性要求更高。
非金屬襯里配管設(shè)計(jì)時(shí)除了要滿(mǎn)足SH/T 3154-2009中襯里管道的一般要求外,還需注意以下幾個(gè)方面。
3.1.1 襯里管道的樓面及墻面開(kāi)孔
管道設(shè)計(jì)中,管道穿過(guò)樓面或者平臺(tái)時(shí),通常會(huì)根據(jù)管道外徑進(jìn)行樓面或者平臺(tái)開(kāi)孔大小的確定,但襯里管道不同,襯里管道是法蘭連接的,因此,在預(yù)留穿孔時(shí),應(yīng)以法蘭盤(pán)外徑確定。此外,配管設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量將法蘭設(shè)計(jì)在樓面以上便于操作的高度,方便緊固件的安裝與拆卸,如果是混凝土樓面或墻面,需要預(yù)埋套管時(shí),套管尺寸應(yīng)考慮襯里管道安裝與拆卸時(shí)法蘭的影響(應(yīng)以法蘭尺寸為依據(jù)預(yù)留套管),嚴(yán)禁將襯里管道的法蘭設(shè)計(jì)在套管內(nèi),如圖4所示。
圖4 襯里管道樓面穿孔
3.1.2 介質(zhì)流向?qū)σr里管道的影響
一般情況下,對(duì)于口徑較大的管道,襯膠需要多張膠板進(jìn)行拼接,拼接處是將兩塊膠板切成坡口進(jìn)行搭接,遇到環(huán)形搭接縫時(shí)需特別注意:搭接處坡口應(yīng)與管道內(nèi)介質(zhì)流向保持一致,避免介質(zhì)的沖刷對(duì)搭接口造成破壞,因此,在設(shè)計(jì)襯里管道的空視圖時(shí),必須正確地將管道流向標(biāo)注在單線圖及管道布置圖中,因?yàn)閺S家是按設(shè)計(jì)的空視圖來(lái)加工與制作襯里管道的。
3.1.3 襯里管道與其他管道的間距
襯里管道與其他管道并排布置時(shí),應(yīng)充分考慮管線彼此之間的最小間距要求,因?yàn)橐r里管道各個(gè)管段是通過(guò)法蘭進(jìn)行連接的,管道布置時(shí)應(yīng)考慮法蘭的影響。此外,襯里管道禁止與高溫管道并排布置,也不能設(shè)置在高溫管道上方存在熱影響的地方,防止高溫對(duì)襯里材料造成損壞,尤其對(duì)于內(nèi)襯PP、PVC和PE等材料的襯里管道,管道設(shè)計(jì)時(shí)需特別注意周?chē)艿赖牟僮鳒囟取?/p>
3.1.4 對(duì)夾式蝶閥的布置
襯里管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到對(duì)夾式蝶閥的布置,為了方便蝶閥碟板的啟閉,對(duì)夾式蝶閥不能與彎頭相連,因?yàn)閺濐^處的壁厚要比管道厚,且還要加上襯里層厚度。因此,在彎頭處布置蝶閥時(shí),最好在靠近彎頭的地方加一段支管,見(jiàn)圖5。
3.1.5 與襯里設(shè)備管口相連的問(wèn)題
襯里管道與襯里設(shè)備管口連接時(shí),如果管口有閥門(mén)或者經(jīng)常拆卸的儀表件,則管道設(shè)計(jì)時(shí)需在管口處先加一段特定長(zhǎng)度的短管,然后再連接閥門(mén)或儀表件,這樣可以有效的保護(hù)設(shè)備管口的襯里層。
圖5 對(duì)夾式蝶閥的布置
3.1.6 襯里管道的墊片
內(nèi)襯聚四氟乙烯的襯里管道在設(shè)計(jì)及施工時(shí),部分連接點(diǎn)處是不需要墊片的,因?yàn)樵谄浞ㄌm密封面已經(jīng)有襯里層,只要施加足夠的緊固力即可充當(dāng)墊片密封,此情況比較適合低溫、低壓的管線。當(dāng)襯里管線與其他材質(zhì)的管線連接時(shí),為了使密封效果達(dá)到最佳,需要對(duì)墊片進(jìn)行單獨(dú)安裝。此外,當(dāng)襯里管線中有經(jīng)常拆卸的儀表時(shí),為了保護(hù)襯里層不被破壞,最好安裝相應(yīng)的墊片。
根據(jù)襯里管道特性,為了避免不必要的返修,襯里管線在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮一定的調(diào)節(jié)段,用調(diào)節(jié)段來(lái)調(diào)節(jié)施工過(guò)程中出現(xiàn)的偏差,調(diào)節(jié)段要在施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量后再加工安裝。
(1)一個(gè)調(diào)節(jié)段:
管線只在一個(gè)方向上布置,沒(méi)有彎頭改變方向,需設(shè)置一個(gè)調(diào)節(jié)段。見(jiàn)圖6:
圖6
(2)兩個(gè)調(diào)節(jié)段:
管道有一個(gè)彎頭改變管道走向,就產(chǎn)生兩個(gè)方向的距離,那么這種情況就需要設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)段;而如果管線在同一平面內(nèi)有兩個(gè)彎頭改變方向時(shí),也只需要設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)段。當(dāng)管線在同一平面內(nèi)有三個(gè)及以上彎頭改變方向時(shí),也只需要設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)段,這兩個(gè)調(diào)節(jié)段的位置可根據(jù)實(shí)際情況選取,且應(yīng)設(shè)置在不同的空間方向上。以上情況詳見(jiàn)圖7,調(diào)節(jié)段1 也可以用調(diào)節(jié)段1’代替,調(diào)節(jié)段2 可以用調(diào)節(jié)段2’代替,調(diào)節(jié)段優(yōu)先選取在與設(shè)備相連接處,其次選擇在與管件連接處。
圖7
(3)三個(gè)調(diào)節(jié)段:
如果管線在布置時(shí)有兩個(gè)及兩個(gè)以上的彎頭改變管道走向,且管線不在同一平面內(nèi),就需要設(shè)置三個(gè)調(diào)節(jié)段,且三個(gè)調(diào)節(jié)段需設(shè)置在東西、南北、上下三個(gè)不同方位上,見(jiàn)圖8。
圖8
綜上所述,一根管線無(wú)論有多長(zhǎng),也不論管線中有幾個(gè)彎頭,管線在東西、南北、上下這三個(gè)方向上布置時(shí),占用幾個(gè)方向,那么就設(shè)置幾個(gè)調(diào)節(jié)段。在設(shè)置調(diào)節(jié)段時(shí)需注意:①三個(gè)調(diào)節(jié)段中至少有一個(gè)調(diào)節(jié)段應(yīng)設(shè)置在管道的端部或者設(shè)備的管口;②調(diào)節(jié)段的長(zhǎng)度應(yīng)盡量短,便于安裝和運(yùn)輸;③調(diào)節(jié)段最好設(shè)置在便于施工和安裝的地方。
襯里管線都是輸送腐蝕性的流體,而襯里層又都有一定程度的滲透性。當(dāng)管線中含有滲透性極強(qiáng)的介質(zhì)時(shí),介質(zhì)就會(huì)滲透到襯里層外面,從而腐蝕外面的碳鋼管道。為了有效地預(yù)防外層碳鋼管道的腐蝕,管材生產(chǎn)廠家一般都在金屬外壁上開(kāi)一放空口,及時(shí)地把滲透的物質(zhì)排出去,以減少腐蝕性物質(zhì)的積聚,減少對(duì)襯里管道外殼的腐蝕,放空口詳見(jiàn)圖9。
為防止非金屬管道在輸送流體時(shí)產(chǎn)生靜電積聚而引起爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn),含有這種易燃易爆流體的襯里管道要安裝靜電接地極。靜電接地極安裝在放空口的對(duì)面。襯里管道的接地應(yīng)在管道軸側(cè)圖上標(biāo)注出,接地耳或接地柱必須由襯里管道制造商預(yù)先焊好,不能在施工現(xiàn)場(chǎng)就行焊接,圖10是項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)靜電接地的情況。
圖9 襯里管道的排放孔設(shè)計(jì)
圖10 襯里管道的靜電接地
非金屬襯里管道的允許跨距可參考其它金屬管道,支吊架的間距應(yīng)小于等于管道的允許跨距,但須注意:襯里管道所有的管件及管道都是法蘭連接,尤其是大直徑襯里管道的管件及管道,都是分節(jié)組裝的,見(jiàn)圖11。
圖11
為了保護(hù)襯里層,襯里管道的支架必須使用管夾型管托,不能使用焊接型管托,否則會(huì)損壞襯里。當(dāng)襯里管道空間不足時(shí),可考慮采用單夾子管托,當(dāng)有閥門(mén)集中荷載時(shí),支架應(yīng)布置在靠近集中荷載處。
襯里管道應(yīng)盡可能少地使用假腿焊接支架,以下幾種情況除外:
(1)當(dāng)豎直管線的支架是承重架時(shí),為了達(dá)到更好的承重效果,此時(shí)管架最好采用假腿式的焊接管架,假腿的個(gè)數(shù)依照管線的管徑大小及支架的受力情況來(lái)確定。一般在受力大時(shí),要采用兩個(gè)假腿來(lái)支撐,對(duì)受力小的,一個(gè)假腿就夠了。
(2)當(dāng)管架在彎頭處時(shí),無(wú)論管徑大小,都必須采用焊接的假腿型式做支撐。
(3)當(dāng)水平管線上需要固定支架時(shí),為了達(dá)到固定管線的目的,支架也需要焊接型式的假腿支架。
綜上所述,當(dāng)襯里管道帶有任意一個(gè)焊接支架時(shí),這根管線的單管圖上必須繪出管架的尺寸、位置和型式,并畫(huà)出管架詳圖,將詳圖連同單線圖一起提供給襯里管道制造商,由制造商提前預(yù)焊好管道支架。常見(jiàn)的襯里管道假腿支架大體分為以下四種形式,見(jiàn)圖12。
圖12 襯里管道假腿支架
當(dāng)一根管道(包括固定段和調(diào)節(jié)段)預(yù)組裝后,需將調(diào)節(jié)段拆下襯膠。設(shè)計(jì)管道支吊架時(shí),需考慮調(diào)節(jié)段拆下后,沒(méi)有調(diào)節(jié)段的支撐,剩余的固定段是否還能保持在原安裝位置,此時(shí),管架的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。因此,在設(shè)計(jì)襯里管道支架時(shí),應(yīng)盡量將支架做在固定段上,并且考慮在調(diào)節(jié)段拆下后,剩余管道能依靠管架固定,如不能,則增加管架數(shù)量。
3.5.1 襯里管道最短長(zhǎng)度不能滿(mǎn)足時(shí)用特殊件代替
某些工藝管線由于受安裝空間的限制,標(biāo)準(zhǔn)管件連接不能滿(mǎn)足襯里管道最小長(zhǎng)度的要求。比如,某個(gè)空間加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的彎頭后,剩余直管段就比最小長(zhǎng)度要求還小,就需要材控專(zhuān)業(yè)做特殊彎頭來(lái)滿(mǎn)足安裝空間的要求,同樣的問(wèn)題還可能出現(xiàn)在三通或異徑三通處。
3.5.2 襯里管道的放空及放凈支管設(shè)計(jì)
一般情況下,管道的放空及放凈支管都比較小,為DN25~40不等,如果使用異徑三通將會(huì)占用較大空間,影響整體配管。在某項(xiàng)目中,對(duì)于DN25~40的支管連接借鑒使用儀表的對(duì)夾式三通。在新發(fā)布的《襯塑鋼管和管架選用系列標(biāo)準(zhǔn)》-HG/T20538-2016中,也將此儀表三通稱(chēng)為放凈環(huán),圖13所示為放凈環(huán)的型式,圖14為現(xiàn)場(chǎng)施工圖。
圖13 放凈環(huán)的型式
圖14 現(xiàn)場(chǎng)放凈環(huán)的安裝圖
3.5.3 襯里管道調(diào)整墊塊的使用
普通管道的設(shè)計(jì)項(xiàng)目及施工現(xiàn)場(chǎng)中,管道可以是任意長(zhǎng)度,生產(chǎn)及安裝都可以實(shí)現(xiàn)。但是襯里管道由于其制造及安裝的要求精準(zhǔn)程度高,如果出現(xiàn)幾毫米或者幾十毫米的長(zhǎng)度正偏差,管道安裝位置又不夠,為避免重新制造管道而造成浪費(fèi),在襯里管道的安裝空間內(nèi)剩余3~50mm以?xún)?nèi)的情況可以用調(diào)整墊塊來(lái)調(diào)整,調(diào)整墊塊的材料可以是整體PP或PTFE等非金屬材料,具體尺寸可參考HG/T20538-2016。
某項(xiàng)目在選用非金屬襯里管道時(shí),現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題:
(1)配管時(shí)未考慮管道制造商會(huì)將管道及管件分解制作,導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際管道自重比設(shè)計(jì)值大很多。原設(shè)計(jì)支架數(shù)量嚴(yán)重偏少,同時(shí)管架的強(qiáng)度及剛度不夠。對(duì)于應(yīng)力管道,需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)配管情況,讓管機(jī)專(zhuān)業(yè)重新核算應(yīng)力管線,見(jiàn)圖15。
圖15 襯里管道現(xiàn)場(chǎng)安裝
(2)襯里管道上的系統(tǒng)特殊件(如視鏡,過(guò)濾器)到貨尺寸與PDS建模中的尺寸不一致,現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)只能手測(cè)實(shí)際需要的長(zhǎng)度,補(bǔ)采相應(yīng)的襯里管道,造成現(xiàn)場(chǎng)襯里管道返工及重新制作,增加了施工工期。
(3)襯里管道PDS建模過(guò)程中并未考慮襯里廠家會(huì)將襯里管道、彎頭等分解成很多較短的管段以方便廠家襯膠制作,導(dǎo)致模型中法蘭連接處的螺栓缺少較多,現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)補(bǔ)采了大量的墊片、螺栓及螺母,增加了采購(gòu)周期。
(4)襯里管道彎頭處及垂直管道上有彈簧支架,但是現(xiàn)場(chǎng)到貨襯里管道上并未預(yù)焊支腿及耳軸,導(dǎo)致管架無(wú)法施工,現(xiàn)場(chǎng)將管架設(shè)置在法蘭處,彎頭處支腿采用F15型支架,但這兩種支撐方式有如下問(wèn)題:①管架強(qiáng)度不夠;②現(xiàn)場(chǎng)制作困難,施工量大。見(jiàn)圖16。
圖16 現(xiàn)場(chǎng)襯里管架情況
(5)某項(xiàng)目主項(xiàng)轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾機(jī)氣相出口管線設(shè)計(jì)壓力為30KPA,此處采用內(nèi)襯PTFE的金屬軟管連接,用PPH管道輸送,現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)車(chē)發(fā)現(xiàn),由于真空度較高,內(nèi)襯PTFE金屬軟管襯膠層脫落,后與業(yè)主及材控專(zhuān)業(yè)溝通,將此軟管設(shè)計(jì)為鈦材,長(zhǎng)度L=800mm改為L(zhǎng)=300mm。
針對(duì)上述項(xiàng)目前期配管及現(xiàn)場(chǎng)施工等遇到的問(wèn)題,總結(jié)之前的經(jīng)驗(yàn),采取了以下解決措施:
(1)在確定非金屬襯里管道的供貨商后,先與其溝通,了解制作廠家對(duì)襯里管道及管件(如大直徑彎頭等)的分解原則及最短直管段,確定每段襯里管道的理論長(zhǎng)度,之后按照廠家資料搭建襯里管道模型,解決了現(xiàn)場(chǎng)襯里管道模型與現(xiàn)場(chǎng)不一致的問(wèn)題,方便后期統(tǒng)一采買(mǎi)螺栓、螺母及墊片,正確設(shè)計(jì)襯里管道支吊架等問(wèn)題。
(2)在確定系統(tǒng)特殊件(如視鏡和過(guò)濾器)的供貨廠家后,由廠家返回特殊件的外形尺寸圖,供配管設(shè)計(jì),解決了設(shè)計(jì)時(shí)襯里管道長(zhǎng)度與現(xiàn)場(chǎng)不符的問(wèn)題。
(3)與襯里廠家協(xié)調(diào)好需要預(yù)焊支腿及耳軸的管道,當(dāng)襯里管道到貨,開(kāi)箱驗(yàn)收時(shí)需格外注意相關(guān)管道是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
(4)對(duì)于真空度較高管線,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)提前與襯里管道廠家充分溝通,確保供貨管道能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
綜上所述,襯里管道不同于碳鋼管道和不銹鋼管道,不能在現(xiàn)場(chǎng)焊接。在設(shè)計(jì)后期,應(yīng)和材料生產(chǎn)廠家對(duì)襯里的材料進(jìn)行確認(rèn),同時(shí),還應(yīng)該對(duì)每根管子的相關(guān)材料量予以確認(rèn)。設(shè)計(jì)時(shí),必須從整體出發(fā),考慮周全,才能使設(shè)計(jì)更完美,施工更順利,業(yè)主更滿(mǎn)意。本文根據(jù)非金屬襯里管道的制作及安裝工藝原理出發(fā),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)容易出現(xiàn)的問(wèn)題,重點(diǎn)闡述了在非金屬襯里管道在配管設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問(wèn)題,希望能夠?yàn)橐院笠r里管道的設(shè)計(jì)提供一些參考。