在石油化工企業中,低溫管道經常被用到。一般情況下,把+5℃以下的物料管道統稱為低溫管道。但實際中,低碳鋼在+5℃至-20℃范圍內都可以正常使用,因在在這種條件下鋼材主要處在延性狀態。溫度如果低于-20℃,碳鋼管道就慢慢變為以脆性狀態為主,在這咱種情況下,使用就有了一定的條件限制。因低于或等于-20℃的管道都屬于低溫管道。本文主要通過配管設計、管架安裝等幾個方面,總結了低溫管道設計的要點,并結合工程實際,確定了設計人員在低溫工況下管道設計時應注意的問題。
油氣田地面工程及化工工藝裝置中,工藝介質低溫管道的設計日趨普遍。如:輔助系統的制冷單元、低溫液化CO2,低溫液化LNG等。低溫管道設計主要考慮“低溫脆性”和冷結構設計以及由于保冷需求而產生的一些列設計要求兩個方面?！暗蜏卮嘈浴?要求設計人員合理選擇“沖擊韌性”高的鋼材,同時從配管設計和管系制作上防止脆裂和脆斷。冷結構設計以及由于保冷需求而產生的一些列設計要求也是非常重要的,它直接關系到能耗和設備管道的施工、操作、檢修等。
整個管道是否有足夠的柔性低,是低溫管道設計首先要考慮到的,同時還要充分利用管道的自然補償。補償器是當設計溫度很低又無法自然補償時使用。
布置低溫管道時,應避免泵、壓縮機和排氣管等管道振動,必須防止整條管道的振動。如果設計管理時,有機械的振源,就應該及時采取消振措施,此外,接近振源處的管道應設置用以隔斷振源的彈性元件,如波型補償器等。
在低合金鋼、低碳素鋼的低溫管道上,裝有安全閥或排污物,排氣的支管時,需注意該低溫液體介質排出后是否立即汽化,如果立即汽化,就需要大量吸熱,就要結霜甚至結冰,把管道溫度降到最低,所以在布置這類支管時,在容易結冰范圍內應采用奧氏體不銹鋼材料,使用法蘭連接不同材質的支管。
低溫管彎頭處因應力最大,所以彎頭處最容易發生脆裂,不應焊接支吊架。
在低溫管道上,一般靠近彎頭或三通處,不允許直接焊接法蘭,為了拆卸螺栓時不破壞主管道上的保冷層,需再延長一段長度(接一短管)后再焊接法蘭。主管上儀表管嘴焊接法蘭時,同樣也是這種要求。對接法蘭中只需要保證法蘭一端留有卸螺栓的間距就可了。
布置管道時,要考慮管道的移動,管道與相鄰管道、設備及與梁之間應留有足夠的間隙;法蘭和閥門的位置保冷厚度大,配管時應留有足夠的間隙;放空和放凈的最小安裝尺寸應根據保冷厚度確定。
當保冷管道貫穿樓板時,注意管道與梁之間的距離,應加大預留孔,配管時應避開梁;立式設備有稠密上升管道處,注意應給出支架與支架的安裝間距;應該給出適當的保冷管道間距。
在設計低溫保冷管道支架時,應有防止產生“冷橋”的措施:
1) 在水平敷設低溫管道時,在管道底部一般墊有木塊或硬質保冷材料塊,防止管道中冷量損失;
2) 垂直敷設低溫管道時,如果支架安裝在低溫設備上時,在設備和管道上都應墊有木塊或硬質保冷材料塊;
3) 管架的支撐重量應包括管道保冷結構的重量;
4) 由于低溫管道材料強度相對較低,所以應注意低溫管道支架間跨距應比一般鋼管道支架間的跨距小;
5) 當保冷管道無管托支承時,保冷管道管底標高的確定取決于管架或枕梁上的保冷厚度,在管徑變小的位置,保冷厚度也會變小,為了保持管道管底標高,保冷墊木塊的厚度不應該改變。
6) 保冷墊木塊的厚度比保冷層厚度約大5mm,這樣做可以防止由于管子偏移與梁接觸而引起保冷層的損壞。
7) 低溫管道極易生銹,在管架的滑動表面應采用滑動板;
8) 低溫管道彎頭處應力最大,彎頭處最容易發生脆裂,所以不宜在彎頭處焊接管道支吊架。
1) 當流體是液體時,低溫閥的閥桿應向上安裝,低溫閥的閥桿較長,安裝閥門時應引起注意;
2) 有泄壓孔的低溫閘閥,應在閥體的閥蓋上標記泄壓孔方向。并注意標記不應被保冷層覆蓋。
1) 熱電偶套管一般為法蘭管嘴,法蘭管嘴的長度約為4倍保冷層厚度。低溫管道中,熱電偶套管不應安裝在垂直管道上,要考慮到保冷層最終被破壞時底座上將會結冰。
2) 在低溫設備上,儀表測定往往需要暖柱,在設計時,應考慮到安裝暖柱所需的間距和儀表保冷層所需空間;
3) 孔板的安裝。低溫管道上的孔板保冷結構是塊狀保冷結構,中間填充碎料,所需空間較大?？装宸ㄌm接出的螺紋閥門必須離孔板法蘭保冷層外側有足夠的凈距,至少76mm。故螺紋接管最小長度應是卸下閥門和操作閥門的間距再加上孔板法蘭保冷層厚度;
4) 控制閥的安裝。低溫管路中的控制閥帶有暖柱裝在閥蓋上,增加了閥中心到頂端的距離。因此,控制閥組的總高度較高。
1) 應注意管材的性質,用于低溫管線的奧氏體不銹鋼,通常其線性膨脹量大于碳鋼。因此,奧氏體不銹鋼的位移量相當大。由于許多不銹鋼管的壁厚較薄,故強度較低,因此要考慮這些管子支架的設置;
2) 減少由于管線收縮而作用于管系的力的幾項措施
a) 使用自膨脹的管系;
b) 用膨脹環路;
c) 使用膨脹節;
d) 注意位移。
在采取措施以吸收位移量之前,應對管線上每一點進行計算和明確,以防止支架和梁被推倒。
1) 保冷材料選用
對低溫流體采取保冷保護與外界環境溫度隔絕。如果保冷層內有小的缺陷,如裂縫、裂痕等,就會對管內的低溫流體產生較大的影響。如保冷不當,水蒸氣從外界透過保冷層就會產生結露,進而結冰。冰粒的不斷增長,將破壞保冷材料,影響保冷效果。因此必須從材料方面考慮,采用濕氣滲透性較低的保冷材料,外表面也應采用可放水的另一種保冷材料。
2) 操作平臺和通道設計
a) 與高溫單元不同,低溫單元中很多項目需頻繁的檢查,需特別注意液體的泄露和保冷層是否被破壞,以便發現問題及時解決。
b) 在小面積獨立結構中,例如操作平臺和通道,需臨時組合的結構件如螺紋連接和焊接嘗嘗是特殊的。
綜上,低溫管道的設計中應著重注意安裝空間、支架設置、儀表元件的安裝、保冷材料的選用等,應注意低溫管道的設計參數,低溫工藝對管道的要求,低溫管道材料的選擇,保冷結構的要求,安裝、操作、維護的要求以及管道焊接要求等方面。
[1]張德江,王懷義,劉紹葉,主編. 《工藝管道安裝設計手冊》 第一篇 設計與計算(第四版)
[2]《低溫管道配管設計規定》 SEPD 0507-2001中國石化工程建設公司
[3]《低溫管道設計規定》 SLDI333C06-2001,中國石化集團蘭州設計院標準
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