空分裝置整裝冷箱內管道設計的探究

徐建

摘 要：基于科學技術的不斷創新，空分設備朝向大型化方向發展，冷箱內壓力管道的設計也得到了優化，出現整裝冷箱。但因為運輸條件的限制以及安裝能力等因素的約束，冷箱內塔器、管道等設備單元的布局與設計需要進一步優化。本文以某空分設備為例，分析該設備整裝冷箱內設備布置、管道布局、管架設計、應力分布以及管道CE認證方面的技術特征，以及為我國空分設備整裝冷箱內管道設計提供參考。

關鍵詞：空分設備；整裝冷箱；管道設計

相比傳統冷箱，整裝空分冷箱安裝質量更為優秀，且現場安裝周期明顯縮短，但因為受到運輸條件等多種因素的約束，所以多應用于小規格空分設備或是液化設備之中。如今，空分設備逐漸向大型化發展，市場與部分特殊用戶均需要適用于大型空分設備的整裝冷箱。目前，市場已經開始存在該類整裝冷箱，本文即以某10000m3/h空分設備為例，簡要介紹某設備冷箱的設計特征與部分問題的解決方法。本空分裝置工藝流程采用液氧泵內壓縮流程：①空氣壓縮→②空氣預冷和純化系統→③熱交換和制冷→④空氣分離。本空分冷箱內包括以下設備：上塔、下塔、主換熱器、過泠器、各流路的氣液分離器、高低壓板式換熱器、氬塔、液氧泵、液氬泵。

1 設備布置

某空分設備應用整裝冷箱，所以必須保證冷箱內設備與管道布置的合理性，以縮減冷箱空間尺寸，達到現有運輸的要求。按照塔器直徑以及高度，結合冷箱現有運輸條件，綜合該設備工藝流程以及使用方對設計的要求，在設計期間不斷對冷箱予以優化，最終確定設備按照如下條件布置：

第一，上塔、下塔與主冷組合；粗氬冷凝設備同粗氬塔組合；精氬冷凝設備與精氬蒸發設備組合；設備布置于主冷箱位置，主冷箱規格為6300mm×4500mm× 60000mm。第二，主冷箱側面作為運輸面，冷箱內閥門全部置于冷箱正面或是背面。第三，主換熱設備、過冷設備、液氧蒸發設備均置于副冷箱內，副冷箱規格為6300mm×3500mm×18000mm。第四，副冷箱側面作為運輸面，副冷箱內閥門全部置于冷箱正面或是背面。第五，主冷箱的側面與背面各自配置兩個液氧泵冷箱與液氬泵冷箱，副冷箱側面配置膨脹機過橋冷箱，主、副冷箱利用過橋冷箱實現連接。

本文采用PDMS三維造型軟件成圖，具體設備布置方式如下圖所示：

圖1空分冷箱內設備布置圖

2 管道設計

2.1 空分設備管道設計標準

本空分設備所有管道所用材料均滿足ASME標準，所有鋁合金管材均采用5083為原料，不銹鋼管材則用316L，設計與無損檢測均滿足歐洲工業氣體協會（EIGA）標準，所有壓力管均已獲得CE認證。

2.2 管道布局設計

本空分設備冷箱內管道均應用PDMS軟件作為設計輔助軟件，已構建了冷箱結構、塔器、管道、閥門以及管架對應的三維模型，在計算機中完成對冷箱內各個單元的科學分布，不僅符合工藝流程的需要，同時也可為之后的安裝作業預留空間。本空分設備整裝冷箱的特點在于如下方面：

第一，管道的分布既符合管道對柔性的需求，同時也符合設備對管口荷載的需求。第二，進塔器與出塔器管道按照塔體走向布置，同時于塔上安設管架，不僅需要令冷箱內空間達到最大，還需要降低管道所承受的應力，減少管道與管架耗損的材料。第三，主冷箱側面為運輸面，在安裝過程中，同樣以左側著地。且本空分設備冷箱操左側與塔器之間基本沒有設置管道，特別是管徑較大的管道，以此為之后管道安裝提供便利。第四，本空分設備整裝冷箱內管道閥門均設計為浮動形式，借此避免塔器與管道出現相對位移，將管道所承受的應力釋放，進而解決粗氬冷凝設備頂出的液空蒸汽回流至上塔管道以及主冷液氮流入下塔管道柔性問題。第五，膨脹機進口管道與出口管道部分設計部分補償彎，以符合冷箱對管道柔性設計以及膨脹機對管口應力的需求，不再應用金屬膨脹節。第六，設計將液體泵進出口管道與回流管均設計為泵口處于低位，管道保持固定角度傾斜上方的形式，借此確保液體泵能夠平穩的工作。第七，本設備所有氧介質管道均應用不銹鋼管道，經脫脂處理，安設過程中需要保證管道內壁的潔凈與光滑，以確保管道在設備運行期間的安全性。第八，避免了管道形成袋形，管道形成袋形會阻礙氣體或液體的流動，氣體管如果出現U形，它的低點應該避開比其溫度更低的管道，防止飽和氣體液化殘存在管道低點。液體管在冷箱內最好“漸漸低”或者“漸漸高”，不應出現高點，以防止形成氣阻：①液氧、液氮產品管道。與冷箱外工程管道設計人員溝通，根據液體產品管在管廊的放置高度確定相應的冷箱開孔標高和液體管引出位置以及閥門放置高度，如果能將液體產品管布置為“漸漸低”，那么冷箱內外將不會出現袋形，整個管線不需要另設排氣；②過冷器不應放置過低。過冷器下部一般有污氮氣和氮氣管線，如果這兩根匯總管分層布置，那么過冷器可能要布置在較高位置，但對于某些較小等級空分，或者不分層布置氮、污氮管線，過冷器可能不需要放置很高，但是它的最低標高是有限制的，限制條件為：下塔富氧液空抽（下轉第42頁）（上接第40頁）口至過冷器進口的管道應該為“漸漸高”，以免形成氣阻。

2.3 管架設計

本空分設備冷箱內管道除對常用管道設計支吊架，還需添設臨時支架，以避免運輸期間發生管道變形的問題。管道支吊架往往依照管道布置，也需要將應力結果納入考慮范圍當中，以便令管道所承受的應力與變形更為科學。故而，本次管架設計如下：

第一，循著塔器目前已經安設完畢的管道于塔體之上安設支架，不在其他位置搭設其他支架。第二，針對含浮動閥門的管道，設計人員于閥門前后設計了導向支架與存在間隔的承重導向支架，針對浮動閥門則設計有臨時支架。第三，冷箱安設過程中需要部分標準托架作為冷箱型鋼的支撐物，但在實際安裝時，其并不是承重支架，可利用安裝、運輸期間可承重的支架予以替換，如此一來，支架還兼具運輸支架的功能。第四，膨脹機進口管道與出口管道由于不需要安設膨脹節，所以不可使用標準管架，設計人員需要按照應力計算結果調節膨脹機進出口所處位置以及限位的方向。第五，液體泵進口進口軟管與出口軟管兩端均配置有法蘭，針對臨近軟管的管道支架，建議設計人員設計采用管道與支架焊死的形式予以固定。

2.4 應力分析

空分設備整裝冷箱內管道設計期間，管道的分布、管架設計以及應力分析同期開展，按照應力分析最終結果對管道與管架的設計與布局進行調節，校對塔器與設備管口荷載是否達到標準。一般來說冷箱內管道應力采用CAESAR Ⅱ軟件予以核算，應力計算所用文件可直接自PDMS軟件導出。

針對冷箱內管道應力計算，需要將地震荷載納入考慮范圍當中，通常情況下愛，地震加速度設定為0.3g。各個工況之間的組合應包含設備運行過程中所有可能出現的狀況，所有計算結果均滿足標準，保證設備可以在任何情況下穩定運行。

2.5 管道CE認證

任何產品在進入歐盟市場之前必須經過CE認證且通過。本設備整裝冷箱內管道CE認證采用PED指令，第三方驗證企業為德國T?V企業，該企業也已經獲得CE驗證資格。

按照PED相關規定，流體物質分為有危險與無危險兩類。冷箱之中的流體多為空氣、液空與氣態或是液態的氧、氬以及氮，上述流體中，氣態氧、液態氧、液空均屬于危險類流體，其余則不具備危險性。確定各個流體性質之后，再按照流體的相態合理設計管道壓力、公稱直徑，并對管道進行分類，分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類以及非類管道。不同類型管道所適用的評審方式也有一定差異。

依照PED相關規定，針對Ⅰ類管道，應用評審模式A，Ⅱ類管道應用模式A2、D1或是E1，Ⅲ類管道則多采用模式B+D、B+F、B+C2、H或是B+E。企業需明確各個評審模式的評審要求，以確保冷箱可以達標。

3 結束語

以往的空分設備組裝多在施工現場完成，受天氣等因素影響大，本空分設備在冷箱空間較小的情況下，本合理分布了設備、管道、管架所在位置，并妥善解決了在運輸、制造以及安裝期間存在的問題，避免了外界因素的干擾，縮短冷箱組裝時間，并保證了空分設備的組裝質量，極大的提高了效率。本文通過對該設備冷箱內管道布置方式分析，希望為冷箱制造企業的冷箱內管道設計提供新的思路與參考。