低溫介質(zhì)工藝特性及配管研究

姜陸

摘 ? ? ?要：石油化工廠中空分裝置內(nèi)的液氧、液氮等深冷介質(zhì)管道，需要注意管道敷設(shè)、保冷材料的選用及安裝位置的不同給生產(chǎn)運(yùn)行帶來(lái)的影響。結(jié)合工程設(shè)計(jì)中遇到的實(shí)際案例，對(duì)空分裝置中液氮設(shè)備、管道設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的汽蝕、抽空、漏冷、結(jié)冰等情況進(jìn)行分析，對(duì)設(shè)備布置、管道敷設(shè)、保冷類(lèi)型選擇等方面提出針對(duì)性的解決方案，并根據(jù)多個(gè)工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整方案后的實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)對(duì)方案的可行性進(jìn)行論證，基本解決深冷介質(zhì)工程設(shè)計(jì)中遇到的上述問(wèn)題。

關(guān) ?鍵 ?詞：深冷管道;保冷;汽化

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 013 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）10-2351-04

Abstract： It is necessary to pay attention to the influence of pipeline laying， selection of cold insulation materials and installation location of cryogenic medium pipelines on the production and operation of the air separation unit in petrochemical plants. In this paper， combined with the actual cases encountered in the engineering design， the cavitation， evacuation， leakage of cooling， freezing and other conditions in the design of liquid nitrogen equipment and pipeline in the air separation unit were analyzed， and the targeted solutions for the equipment layout， pipeline laying and cold insulation type selection were proposed， and the feasibility of the scheme was discussed according to the actual operation situation after using adjustment scheme in several project sites. Through demonstration， the above problems encountered in cryogenic medium engineering design were basically solved.

Key words： Cryogenic pipeline; Cold preservation; Vaporization.

在石油化工生產(chǎn)中經(jīng)常遇到低溫介質(zhì)，一般把0 ℃以下的物料管道統(tǒng)稱(chēng)為低溫管道，但從嚴(yán)格意義上講，設(shè)計(jì)溫度為-20 ℃～-196 ℃的管道才屬于低溫管道。與普通常溫或高溫管道需要“保溫”不同，在上述介質(zhì)的儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用過(guò)程中，“冷量”的散失會(huì)導(dǎo)致設(shè)備、管道內(nèi)介質(zhì)溫度升高、介質(zhì)汽化、設(shè)備和管道內(nèi)壓增高等一系列問(wèn)題，對(duì)裝置、儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施的安全生產(chǎn)造成不利影響;同時(shí)深冷介質(zhì)的“漏冷”也會(huì)對(duì)操作人員的人身安全構(gòu)成威脅，所以低溫乃至深冷介質(zhì)的管道敷設(shè)形式及“保冷”方式的選擇不可忽視，因此在配管設(shè)計(jì)、管道器材的選用、制造、安裝、檢驗(yàn)及驗(yàn)收等方面都有嚴(yán)格的規(guī)范要求。本文重點(diǎn)介紹在涉及低溫尤其深冷介質(zhì)設(shè)計(jì)中，因介質(zhì)低溫工況特性而產(chǎn)生的管道敷設(shè)、低溫管道器材、保冷方式等方面的選用及注意事項(xiàng)。

1 ?低溫介質(zhì)工藝特性

石油化工系統(tǒng)中常見(jiàn)的低溫介質(zhì)，如化工生產(chǎn)中常用的液氨，其操作溫度常在約-30 ℃[1];在工業(yè)及民用領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用的新型能源LNG，儲(chǔ)存、輸送溫度約-160 ℃;公用工程系統(tǒng)的氮?dú)猓话悴捎每諝夥蛛x的方式制得，并以液氮的形式保存，儲(chǔ)存溫度約為-196 ℃，同時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)品液氧[2]，操作溫度約-182 ℃。在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、輸送過(guò)程中的保冷，對(duì)這些深冷介質(zhì)，尤為重要。

作為石油化工企業(yè)常用的公用工程吹掃介質(zhì)，氮?dú)獾氖褂梅浅V泛，其由一般由液氮?dú)饣鴣?lái)。大型石油化工廠內(nèi)都設(shè)有空分裝置，其利用空氣液化后各成分沸點(diǎn)的不同，將液氧、液氮[3]、液氬[4]等在精餾塔中將液化空氣中的各組分分開(kāi)。

空分裝置中的液氧、液氮一般先通過(guò)精餾塔的自壓進(jìn)入液氧罐和液氮罐儲(chǔ)存，在需要時(shí)通過(guò)液氧泵、液氮泵加壓，經(jīng)汽化器汽化為氮?dú)夂螅椭粮饔玫獨(dú)恻c(diǎn);或者泵后直接液氮裝槽車(chē)運(yùn)走。要注意的是液氮泵入口管道必須保持足夠的灌注度，必須保證液氮的壓降盡量少，否則有可能造成液氮壓降過(guò)大，汽化嚴(yán)重，泵汽蝕嚴(yán)重，或者無(wú)法啟動(dòng)的情況。

某大型石化廠空分車(chē)間，原有液氮泵入口管道只使用了聚氨酯泡沫塑料，且施工質(zhì)量不高，造成入口管道漏冷嚴(yán)重，到處是結(jié)霜和冰坨。更關(guān)鍵的是，因漏冷、管道彎頭過(guò)多、上游液氮罐高度不足等綜合因素影響，造成液氮泵入口管內(nèi)液氮大量汽化，泵汽蝕嚴(yán)重，每次開(kāi)泵都要打開(kāi)入口排氣閥泄放氮?dú)猓眠€要自循環(huán)一段時(shí)間才能正常工作，既影響生產(chǎn)，在廠房?jī)?nèi)排放液氮和氮?dú)庥钟袠O大的安全隱患。

在2010年停檢時(shí)，將液氮泵進(jìn)、出口管道全部更換真空管道后，汽蝕問(wèn)題部分緩解，可以順利開(kāi)泵，但結(jié)霜漏冷的問(wèn)題仍部分存在，再次停檢時(shí)調(diào)查原因，分析是真空管道壁厚不足及施工質(zhì)量不足引起，重新更換厚皮真空管道，同時(shí)請(qǐng)真空管道生產(chǎn)廠家的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員到廠指導(dǎo)安裝，最終解決了此問(wèn)題。其他液氮管道也同步更換，解決漏冷結(jié)霜掛冰問(wèn)題。某大型石化廠空分車(chē)間，原有真空管道施工質(zhì)量低，有漏冷現(xiàn)象，見(jiàn)圖1。更換為優(yōu)質(zhì)厚皮真空管道并提高了施工質(zhì)量后，解決了問(wèn)題，見(jiàn)圖2。

2 ?保冷形式比較

現(xiàn)有的低溫、深冷保冷形式一般有以下幾種。

2.1 ?聚氨酯泡沫保冷

聚氨酯泡沫發(fā)泡（填充型）或硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料（拼接型）、外輔以鋁皮（或鍍鋅鐵皮）保護(hù)層，多用于操作溫度不算很低的介質(zhì)（如液氨管道），對(duì)保冷性能要求不嚴(yán)格的場(chǎng)合，無(wú)法采用更嚴(yán)格的保冷手段的位置（如空間較局促的位置或某些設(shè)備管口處等不規(guī)則的位置），及從成本上不宜采用更嚴(yán)格的保冷手段的情況（如LNG長(zhǎng)輸管道） [5]。對(duì)于長(zhǎng)距離輸送，如LNG分裝站之間的管道連接，綜合考慮工藝及經(jīng)濟(jì)，宜采用聚氨酯泡沫保冷的形式。目前的空分裝置仍基本采用加厚聚氨酯泡沫保溫層的方法。

2.1.1 ?優(yōu)點(diǎn)

1） 造價(jià)相對(duì)低。對(duì)沒(méi)有特殊要求的管道（如10#、20#碳鋼管道），聚氨酯泡沫材料保冷施工費(fèi)用約3 000 元·m-3;對(duì)于不銹鋼等有特殊要求的管道（氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)≯50 μg·g-1），施工費(fèi)用約 ? ? ?7 000元·m-3。

2）施工簡(jiǎn)單方便，普通施工人員即可完成。

2.1.2 ?缺點(diǎn)

1）保冷效果不理想，尤其在施工質(zhì)量不高的情況下。漏冷現(xiàn)象嚴(yán)重，易出現(xiàn)結(jié)霜、凍冰等現(xiàn)象。在高處的管道，冰掛及冰坨對(duì)下方行人及設(shè)備也會(huì)造成安全隱患，見(jiàn)圖3。

2）占用大量空間。以DN40-DN50的管道為例，為達(dá)到保冷效果，保冷后的管道外徑會(huì)達(dá)到約 ? Ф800 ～1 000 mm，不利于配管規(guī)劃及現(xiàn)場(chǎng)檢、維修。

2.2 ?真空管道保冷

真空管道，全稱(chēng)高真空多層絕熱低溫液體輸送管道。由內(nèi)外兩層不銹鋼管道組成，中間有預(yù)制好的支撐件保證內(nèi)外管始終平行行進(jìn)，內(nèi)外層不銹鋼管道間抽真空，支撐件為隔熱材料，保證了隔熱效果。真空管道多用于操作溫度極低、達(dá)到深冷工況，且從安裝空間、施工難度以及成本上綜合考慮應(yīng)加裝的情況。例如裝置內(nèi)大多數(shù)位置的液氧、液氮管線，尤其在深冷介質(zhì)需機(jī)泵增壓的情況下，真空管道能更好地保證工藝流程的正常進(jìn)行。在設(shè)備及機(jī)泵管口處，因異形的關(guān)系，難以使用真空管道的，在保證施工質(zhì)量的前提下，局部可采用聚氨酯泡沫保冷[6]。

近年使用的高真空多層不銹鋼管道在深冷介質(zhì)保溫方面效果很好。

2.2.1 ?優(yōu)點(diǎn)

1）保冷效果非常好。即使對(duì)于-196 ℃的液氮管道，只要保證真空管道施工質(zhì)量，其外管壁即能保證常溫。

2）占用空間少。DN100以?xún)?nèi)的管道，其外管口徑不超過(guò)DN200。正常的空分裝置多使用DN40-DN80的管線，其外管口徑約為Ф89～150 mm。

2.2.2 ?缺點(diǎn)

1）造價(jià)昂貴。真空管道完全采用不銹鋼制造，以?xún)?nèi)徑DN50、外徑100的真空管道為例，管線的制造及施工約2 500 元·m-1，另外管道的閥門(mén)都要用配套的不銹鋼真空截止閥，每個(gè)約4 000 元，另有必須附加的安全排空系統(tǒng)，每套3 000 元，總成本相對(duì)較高。

2）工業(yè)管道級(jí)別為GC1，制造及施工都要由有資質(zhì)的供應(yīng)商完成，管理難度大。

深冷管道的安裝。對(duì)于小口徑的管道，兩段管道通過(guò)真空法蘭對(duì)接;對(duì)于大口徑的管道，在管段兩端，外管封閉，內(nèi)管延伸出來(lái)以便于管道對(duì)焊，每段管道各自抽真空并相對(duì)對(duì)立，良好的抽真空施工可以保證5～6 年的正常使用。對(duì)接部位空隙用聚氨酯泡沫保冷。對(duì)于液氧管道，一般不建議采用真空法蘭對(duì)接。

深冷管道的跨距理論上可以參考外管的跨距，但實(shí)際上因?yàn)楣芏伍L(zhǎng)度的關(guān)系，一般建議支架間距不宜超過(guò)5 m。

深冷管道的閥門(mén)主管一般采用真空閥門(mén)，與管道一體化，不設(shè)法蘭。導(dǎo)淋、安全閥等細(xì)小分支，主管采用類(lèi)似三通的分支，后接焊接型低溫截止閥。現(xiàn)有的深冷閥門(mén)都采用長(zhǎng)手柄，內(nèi)部介質(zhì)的低溫不會(huì)傳導(dǎo)出來(lái)[7]。

深冷管道的應(yīng)力，因其結(jié)構(gòu)為內(nèi)外管形式，內(nèi)管承受正壓、低溫，外管承受負(fù)壓、常溫，因不銹鋼的膨脹率較大，故在正常深冷環(huán)境工況下，內(nèi)外管的收縮情況不一致，內(nèi)管的冷縮相對(duì)外管會(huì)比較多，這就需要有更合理的管道敷設(shè)規(guī)劃。在自身的柔性難以彌補(bǔ)管道應(yīng)力的情況下[8]，實(shí)際工況中多使用膨脹節(jié)加以彌補(bǔ)。在壓力較低，宜選用內(nèi)管膨脹節(jié);在壓力較高時(shí)，多選用外管膨脹節(jié)。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的膨脹節(jié)只能承受4.0 MPa的內(nèi)壓，更高壓力的膨脹節(jié)只能依賴(lài)進(jìn)口，這又進(jìn)一步提高了成 ?本[9]。

因設(shè)備管口處多存在異形問(wèn)題，現(xiàn)在一些（液氮）項(xiàng)目在做設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，就已經(jīng)考慮將真空管道延伸至設(shè)備外罐內(nèi)，甚或直接連接在內(nèi)罐管口上，以進(jìn)一步降低深冷介質(zhì)的失冷。

因低溫介質(zhì)、真空管道特殊性，及目前尚未普及的現(xiàn)狀，加之各供應(yīng)商關(guān)于真空管道及管件的設(shè)計(jì)、制造大多執(zhí)行各自的廠規(guī)，故設(shè)計(jì)人員無(wú)法詳細(xì)地規(guī)劃管道、管件位置、尺寸，只能將管路走向、拐點(diǎn)、管件位置、支撐方式等做大體的規(guī)劃設(shè)計(jì)，而后由業(yè)主交給中標(biāo)的供應(yīng)商做進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)規(guī)劃，最終經(jīng)設(shè)計(jì)與供應(yīng)商共同確認(rèn)后，以供應(yīng)商出具的配管圖為準(zhǔn)進(jìn)行施工，并且必須由具有施工資質(zhì)的供應(yīng)商派專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)、監(jiān)督施工，確保真空管道的安裝質(zhì)量，保證管道及裝置的安全生產(chǎn)運(yùn)行。見(jiàn)圖4、圖5。

3 ?結(jié) 論

經(jīng)過(guò)以上的分析及實(shí)例可以得出結(jié)論：在輸送液氧、液氮等深冷介質(zhì)時(shí)，主體宜采用真空管道的形式對(duì)管道進(jìn)行保冷。在有機(jī)泵存在的情況下，要特別注意泵入口的配管形式、灌注高度等問(wèn)題，避免出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象。在真空管道的選材及施工質(zhì)量方面也應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)的規(guī)范要求，以保證深冷介質(zhì)裝置的正常生產(chǎn)運(yùn)行。

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