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空分装置低温管道研究

范文

王炎申世勇

摘要：空分装置用来分离空气中的各组分气体，生产氧气和氮气，其离不开低温管道。本文介绍了国内外对低温的界定方法，并阐述了低温管道的材料、分级、配管和保冷措施。

关键词：低温管道;材料;分级;配管;保冷

中图分类号：TQ116.11文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）26-0050-03

Abstract： The air separation unit is used to separate each component gas in the air to produce oxygen and nitrogen， which cannot be separated from the cryogenic pipeline. This paper introduced the definition of low temperature at home and abroad， and expounded the materials， classification， piping and cold insulation measures of low temperature pipelines.

Keywords： cryogenic pipeline;material;classification;piping;cold insulation

对于低温，我国曾经有两个界定，即-20 ℃和-29 ℃，有的标准以-20 ℃来界定低温，而有的标准以-29 ℃来界定低温。这就使得沸点在-29～-20℃的一氯甲烷等物质在设计和验收时产生矛盾。随着时间的推移，这个现象逐渐改善，《工业金属管道工程施工规范》（GB 50235—2010）的配合标准《工业金属管道工程施工质量验收规范》（GB 50184—2011）表8.1.1中明确了“设计温度低于-20 ℃的所有流体管道的焊缝检查等级为I级，无损检测比例为100%”。而《石油化工有毒、可燃介质钢制管道工程施工及验收规范》（SH 3501—2011）的管道分级的设计温度仍按照-29 ℃来界定。空分装置常用组分标准沸点如表1所示。

由于空分装置常用组分远低于常温，所以不管-20 ℃还是-29 ℃都不会对空分装置的设计和验收造成影响。但是，从标准的严谨性角度来看，还是应该明确低温的界定温度，避免给实际工作中的设计和施工验收带来不必要的麻烦。

1 低温管道材料的规定

空分装置中常用的低温管道材料按照压力的不同分为两类，高压管道采用不锈钢（06Cr19Ni10）材质，中低压管道采用铝合金（5052-O、5083-O）材质。这是因为此类材料具有面心立方晶格，冲击韧性不受温度的影响，在低温下不发生冷脆现象，具有良好的机械性能。2016年，《低温管道用无缝钢管》（GB/T 18984—2016）发布，其中，不同材质低温钢管的性质如表2所示，表2列出的管道材料温度下限仅为-100 ℃，不能满足表1列出的空分裝置各组分沸点要求，所以国内的空分装置通常采用不锈钢和铝合金（5052-O、5083-O）这两种材料。

低温下，奥氏体不锈钢具有良好的冲击韧性，《压力容器第2部分：材料》（GB 150.2—2011）规定，钢材的使用温度低于或等于-20 ℃时，应按附录C的规定进行夏比低温冲击试验（V形缺口），而奥氏体钢的使用温度高于或等于-196 ℃时，可免做低温冲击试验。

2 低温管道的分级

管道分级应首先符合《压力管道安全技术监察规程——工业管道》（TSG D0001—2009）[1]的规定。同时，依据原国家质量监督检验检疫总局于2014年10月30日公布的《质检总局关于修订〈特种设备目录〉的公告》（2014年第114号）定义的压力管道的范围和分类，确定其是否属于压力管道。

2.1 压力管道分级

属于压力管道的，按照《压力管道规范工业管道第1部分：总则》（GB/T20801.1—2020）[2]中第4条的压力管道分级来判定。低温压力管道凡是公称直径大于或等于50 mm，设计压力小于10.0 MPa，输送介质是氧、氮、氩的低温管道都属于GC2级压力管道。

2.2 非压力管道分级

属于非压力管道的，按照《工业金属管道设计规范》（GB 50316—2000）中第2.1条术语的规定进行分级。低温非压力管道，输送介质是氧（液氧）的为B类流体（氧按照可燃流体类别对待）;输送介质是氮（液氮）、氩（液氩）的为C类流体。

3 低温管道的配管

空分装置中的低温管道集中在分馏塔冷箱内部，国内选用的材料都是铝（5052-O、5083-O），通常5083-O用于公称直径小于等于125 mm的管道，5052-O用于公称直径大于125 mm的管道，同时仪表管采用5052-O。冷箱外的低温管道材料都是不锈钢（06Cr19Ni10，即S30408）。铝的单位线胀率在-190 ℃时是-3.79 mm/m。对于5052-O低温下的许用应力，管材是46 MPa、板材是43 MPa;对于5083-O低温下的许用应力，管材是74 MPa、板材是83 MPa。不锈钢（06Cr19Ni10）的单位线胀系数在-190 ℃时是-3.10 mm/m。低温下的许用应力是：管道壁厚小于等于14 mm时，许用应力122 MPa;管道壁厚小于等于18 mm时，许用应力为90 MPa。

目前，业内空分装置的管道配管多采用三维软件，如PDMS、PDS、AUTOCAD 3D等，应力分析多采用COADE公司开发的CAESARⅡ。下面简要论述冷箱内低温管道的配置。

3.1 自然补偿

要充分利用管道自身的补偿能力，必要时改变管道走向，增加L型、π型、Z型补偿，改善管系的柔性。

3.2 膨胀节、金属软管

与动设备连接的管道可选用波纹管膨胀节或金属软管，降低管道振动，避免焊缝疲劳断裂。受空间限制，自然补偿无法满足应力要求时，可采用波纹管膨胀节补偿。

3.3 支架

合理选用管道支架的形式及其固定型式，此外，还要注意支架的材质，避免低温下冷脆失效。考虑冷箱是低温，设备和管道周围存在温度梯度，弹簧材料的物理性质在低温下会发生变化，很难建立数学模型，所以要慎重选择弹簧支架。

3.4 管嘴

与静设备连接的管道应注意低温下管嘴随设备的产生位移，不可按照固定点处理。

3.5 气封、液封

冷箱内的低温管道通常是汽液两相流，所以管道的走向应为阶梯式，避免低点液封、高点气封的出现。

3.6 位移

低温下管道必然产生位移，管道与冷箱壁要有足够的距离，避免冷损，防止冷箱挂霜。相邻管道并排或交叉设置时要考虑管道在低温下的状态，避免低温下管道干涉断裂。

3.7 盲肠

对于液氧介质，在配置管道时不可出现盲肠，避免碳氢化合物积聚。

3.8 其他措施

加固液体管道角焊缝，解决角焊缝应力集中的问题。对于仪表管等小管径的管道，要采用必要的遮蔽措施，避免珠光砂装填时砸断管道。

4 低温管道的保冷

4.1 冷箱保冷

空分装置分馏塔内部设备和管道工作在低温状态，采用填充珠光砂的方式保冷。干燥的珠光砂在低温工况下仍具有良好的保冷性能和流动性能，不阻碍管道、设备的变形，目前业内均采用该方式保冷。

4.2 真空管道

真空管道又称为高真空多层绝热低温液体管道，简称“真空管”，是用于低温液体输送的特种保冷管道，由内管、外管以及多层绝热材料组成。内管、外管均采用不锈钢（06Cr19Ni10）无缝管道。与采用普通包扎绝热的低温液体保冷管相比，其具有冷损量极小、外观小巧美观、使用寿命长、易于安装等优点。

4.3 PIR保冷材料

PIR即“聚异三聚氰酸脂”，简称“三聚脂”，是一种有机高分子材料，同时也是一种泡沫聚合体。使用温度为-196～120℃，导热系数0.019～0.021 W/（m·K），耐火焰阻燃性能优异，符合《建筑材料及制品燃烧性能分级》（GB 8624—2012）难燃材料B1级，可用于可燃介质（氧）的管道。另外，可制作为成型管壳，现场安装方便，也可以现场喷涂，满足阀门等形状不规则的保冷要求。

4.4 多层复合保冷

由于聚氨酯適用温度为-60 ℃，而PIR和泡沫玻璃保冷材料价格较贵，对于大管径低温管道，保温厚度较厚的通常会按照温度梯度选择两种保温材料，即内层选用PIR或泡沫玻璃，外层选用聚氨酯的办法，即可以满足绝热的要求，又能够减少投资。

由于空分中低温液体管道的管径通常不大于200 mm，保温厚度不大，所以这种方法一般不采用。

5 结语

低温管道涵盖的范围是很广的，本文仅简要介绍空分装置低温管道。未来，在低温材料上、保冷材料上仍须加大开发力度，并尽快出台相关标准法规。另外，低温管道的问题主要是冷箱内的管道问题。只有将问题分析清楚，并结合长期的实践经验，才能避免管道发生破坏断裂，保证装置安全平稳地运行，给人民的生命和财产安全保驾护航。

参考文献：

[1]国家质量监督检验检疫总局.压力管道安全技术监察规程——工业管道：TSG D0001-2009[S].北京：中国标准出版社，2009.

[2]国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.压力管道规范工业管道第1部分：总则：GB/T 20801.1—2020[S].北京：中国标准出版社，2020.

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