淺析熔體管道材料設(shè)計

林 揚

福陸（中國）工程建設(shè)有限公司（上海 201103）

工作研究

淺析熔體管道材料設(shè)計

林 揚

福陸（中國）工程建設(shè)有限公司（上海 201103）

通過總結(jié)大型化工項目中的工程經(jīng)驗，詳細介紹了熔體管道系統(tǒng)中管道、法蘭、墊片和閥門的設(shè)計及選用，為熔體管道材料工程設(shè)計提供了可靠的設(shè)計參考。

熔體 管道 法蘭 墊片 閥門

熔體管道系統(tǒng)在聚酯、尼龍等化纖裝置中有著的廣泛應(yīng)用。熔體介質(zhì)具有高溫、高壓、高黏度、易凝固等特性。鑒于這種特性，熔體管道的設(shè)計需采用夾套管，內(nèi)管走熔體介質(zhì)，外管走高溫熱油，以免熔體介質(zhì)在輸送過程中溫度降低發(fā)生凝固。

1 熔體管道的設(shè)計

由于熔體介質(zhì)對清潔度的要求較高，所以通常熔體管道系統(tǒng)選用不銹鋼作為主材，304、304L、1.4301、1.4541等都是常選的材料。由于熔體黏度很高，輸送壓力大，所以為了防止粘料和滯流，夾套管內(nèi)管的內(nèi)表面要作拋光處理。舉例來說，在某聚酯項目中，介質(zhì)聚合物熔體，設(shè)計壓力30MPa、設(shè)計溫度320℃，夾套內(nèi)管選用德標1.4541，無縫、熱軋，固溶酸洗狀態(tài)交貨，管道內(nèi)徑公差要求±0.1mm,壁厚公差要求+12.5%，內(nèi)表面清潔光滑無毛刺，表面質(zhì)量參照DIN4763-1981，平均粗糙度Ra=3。同時為了使流道更為平緩，便于熔體介質(zhì)流動，管道變向處選用了彎曲半徑3D的彎管，而不是1.5D的普通彎頭。

2 熔體管道法蘭的選配

由于熔體管道是夾套管，法蘭也必須選用夾套法蘭，國內(nèi)設(shè)計通常選用HG/T20615—2009附錄B鋼制夾套法蘭中的帶頸對焊夾套法蘭（見圖1）。

國外有些專利商根據(jù)不同的工藝要求設(shè)計成半加熱夾套法蘭（見圖2）和全加熱夾套法蘭（見圖3），這種全夾套法蘭可以出圖在國內(nèi)法蘭廠定制，國外也有專門的生產(chǎn)廠家如MHW。

另外，由于普通三通上焊接法蘭的連接方式法蘭面離主管中心的距離太長，為了配合熱電偶或柱塞閥等的安裝要求，通常選用塊狀法蘭，設(shè)計中主要有圓的和方的兩種。圓的塊狀法蘭（見圖4）焊接難度較大，且角焊縫不能作射線探傷，故此推薦使用在中低壓介質(zhì)中。方的塊狀法蘭（見圖5）是鍛料直接機加工，強度高、質(zhì)量好，但重量稍大，如一定要夾套里的熱媒穿過，需要鉆深孔，如果內(nèi)外管口徑差距小，則不能鉆孔。

3 熔體管道墊片的選擇

熔體管道一般盡量減少法蘭的使用，采用焊接的方式連接。但是和閥門、儀表、設(shè)備管口對接的時候難免會采用法蘭密封，這就涉及到密封面和墊片的選擇。由于石墨會污染熔體介質(zhì)，而熔體管道溫度又很高，非金屬材質(zhì)不能滿足要求，所以一般選擇金屬墊片，密封面可以選擇環(huán)連接面，如果工藝對管道內(nèi)部平整度要求非常高，那么推薦選用透鏡墊片（見圖6）。

透鏡墊片是一種類似于金屬環(huán)墊的全金屬密封元件。透鏡墊片用于高壓的場合，法蘭的兩密封面組成了一個角度為140°的圓錐型空間。密封面的尺寸隨著載荷的增加而增加，接觸面的壓縮量相應(yīng)地不規(guī)則增加。透鏡墊片通?？啥啻问褂?，因其變形均在塑性變形范圍內(nèi)。透鏡墊的標準是DIN2696-1999。值得注意的是，與所有金屬墊片一樣，透鏡墊圈材料應(yīng)該比法蘭材料軟，以確保施加的壓縮負荷引起透鏡環(huán)的彈性和塑性變形，而不是法蘭密封面的變形。所以在墊片的采購技術(shù)規(guī)定里要對墊片的硬度作出具體要求，同時在法蘭、閥門、設(shè)備、儀表的采購技術(shù)規(guī)定里也要提出相對應(yīng)的法蘭密封面的硬度要求。另外，透鏡墊密封的法蘭面常常是在原凸面法蘭上加工的，原因是閥門、儀表或設(shè)備在制造廠里作壓力試驗的時候可以不用透鏡墊密封而采用別的方便采購的墊片，比如纏繞墊。

另外，由于透鏡墊和法蘭的接觸面積非常小，產(chǎn)生的密封壓緊力高，而需要的螺栓扭矩卻比通常的纏繞墊小很多，為了安裝墊片后能達到良好的密封效果，需要廠家提供螺栓扭矩表供施工方安裝使用。

4 熔體閥門的選擇

由于柱塞閥（見圖7）具有無死區(qū)的特點，所以在熔體管道系統(tǒng)中被廣泛使用。適用于反應(yīng)釜、容器或管道底部，用以放料、沖洗或取樣。柱塞閥主要優(yōu)點是柱塞頂端形狀與管道或設(shè)備內(nèi)表面完全吻合，閥門對介質(zhì)的流動不構(gòu)成任何干擾。閥門開啟時，柱塞邊升降邊旋轉(zhuǎn)，消除緩流區(qū)，在啟閉瞬間，壓力不急劇波動。對于高壓柱塞閥門內(nèi)表面需作拋光處理，要求不粘料、不滯流。常溫低溫工況閥座可選軟密封，高溫工況采用金屬密封閥座。柱塞閥支管角度通常為45°或60°,也可以選擇是否要夾套。有時功能要求改變介質(zhì)流向，控制多路介質(zhì)的合流或分流，柱塞閥還可以做成三通、四通，甚至七通，該類閥門又叫熔體分流閥。

4.1 柱塞閥結(jié)構(gòu)形式的選用

按結(jié)構(gòu)形式分，柱塞閥有柱塞伸出型（見圖8）和閥體伸出型（見圖9）。柱塞伸出型需要設(shè)備管嘴內(nèi)徑、管道法蘭的內(nèi)徑和它匹配，否則會有空隙，會產(chǎn)生積料，如果介質(zhì)黏度高或易凝結(jié)會造成堵塞，閥門不能打開。對于新建裝置設(shè)計時要協(xié)調(diào)好設(shè)備制造商和配套管道法蘭的制造商。相反如果是改造項目，設(shè)備折舊，或新建裝置設(shè)備是進口的或因其他種種原因設(shè)備口無法定制，為了與設(shè)備口配合應(yīng)選用閥體伸出型，由閥門廠家與設(shè)備口匹配。當然新建裝置選用閥體伸出型也沒有問題。相比較而言，閥體伸出型應(yīng)用范圍更廣，從以往的項目經(jīng)驗來看選用得也比較多。

按閥座結(jié)構(gòu)分，有可拆卸型閥座和整體閥座兩種，相對而言可拆卸型制造成本較低，對于廠家來說閥體本身可以標準化設(shè)計，閥座的長度外徑可根據(jù)實際情況調(diào)整，而整體閥座型閥門由于頂部伸出長度和外徑不同，每個閥門都要單獨設(shè)計制造。但整體閥座的密封可靠性和耐用性比可拆卸型閥座要好，通常用于關(guān)鍵部位。

4.2 柱塞閥采購的注意事項

采購柱塞閥時注意提清楚技術(shù)要求，為了讓柱塞頂端和管道內(nèi)徑完全匹配，柱塞頂端需是弧形的，曲率半徑為R（見圖10），如果介質(zhì)要求不高或是裝在罐底基本平坦部位，柱塞也可平頂，頂部和主管內(nèi)徑外緣成切線。配套的塊狀法蘭可以要求閥門廠家配套供應(yīng)，這樣公差比較好控制，現(xiàn)場直接焊接在管道上就可以了。

5 結(jié)論

通過以上對熔體系統(tǒng)中管道、法蘭、墊片及閥門的介紹，可以看出對于熔體系統(tǒng)的管道材料設(shè)計要充分考慮介質(zhì)的特性、壓力的高低和是否安裝于系統(tǒng)的關(guān)鍵部位等各方面因素，才能使整個系統(tǒng)的設(shè)計既能滿足工藝要求又能節(jié)省項目投資。

[1] 宋移團.PET熔體直紡夾套管的設(shè)計[J] .聚酯工業(yè), 2010,23(2):52-54.

[2] 宋凱卓.直紡熔體輸送管道的設(shè)計[J] .聚酯工業(yè),2006, 19(5):5-7.

[3] DIN 4763- 1981. Progressive ratio of number values of sur-face roughness parameters[S].

[4] HG/T20615—2009鋼制管法蘭[S] .

[5] DIN 2696- 1999 Lenticular ring joint gaskets for flanged joints[S].

Analysis on Material Design for Melt Pipeline

Lin Yang

Summarized the experience of large chemical engineering projects, introduced the design and selection of pipeline, flange, gasket and valve for the melt pipeline system in detail, which could provide reliable reference for the en－gineering design of materials for melt pipeline.

Melt; Pipeline; Flange; Gasket; Valve

TQ323

2014年6月

林 揚 男 1980年生 工程師 主要從事壓力管道材料設(shè)計