壓縮空氣管道設計與安裝維護簡述

田家樂

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

1 概述

壓縮空氣作為工業生產中重要的動力源，其供應品質及經濟性越來越受到重視，壓縮空氣管道合理的設計、安裝及運行維護是保證氣體品質和經濟運行的先決條件。壓縮空氣系統的運行能耗巨大，壓縮空氣管道系統合理的設計、安裝及運維對于節能降耗具有重大意義。本文就壓縮空氣管道在設計、安裝及運維過程中的注意事項作以簡述。

2 壓縮空氣管道系統的選擇

壓縮空氣管道系統一般由壓縮空氣站、室外壓縮空氣管道、廠房入戶裝置、室內壓縮空氣管道等組成。根據壓縮空氣的壓力、質量以及負荷特性等的不同，在設計過程中來合理選擇不同的壓縮空氣管道系統。在各用戶需求壓力基本相同時，可以選擇集中供應壓縮空氣，大部分用戶可不經減壓直接使用，在不同壓力需求的部位進行減壓，滿足不同壓力需求用戶的要求。如各用戶的用氣壓力差異較大，則按不同壓力分別輸送壓縮空氣，此類分別供應系統較為復雜且初投資較大。當各用戶對壓縮空氣的顆粒度、壓力露點、含油量等品質要求相近時，可以在壓縮空氣站內設置對壓縮空氣集中處理的干燥、凈化裝置。如果各用戶對氣體品質要求不同，可以在各廠房入戶位置安裝干燥、凈化裝置，并在各用氣點加裝滿足用氣品質要求的干燥凈化設備。對于像吹砂機等瞬時大用氣量的設備，因其小時平均壓縮空氣消耗量與瞬時消耗量相差較大，用氣負荷波動巨大，與其他用戶共用同一系統將對其他用戶用氣壓力造成波動，因此宜對其單獨供應。當單獨供應經濟性較差時，可在用氣設備附近安裝儲氣罐等緩沖裝置，以起到穩壓作用。

3 管道壁厚的選擇

壓縮空氣管道壁厚一般取決于管道內氣體的壓力高低。某工業園區低壓氣管道的工作壓力一般為0.6～0.75MPa，管材以低壓流體輸送用焊接鋼管和無縫鋼管為主。在進行壓縮空氣管道設計過程中，考慮到管道內壁在工作過程中的沖刷及腐蝕，保障壓縮空氣管道壁厚在一般選擇在3mm以上、主管壁厚在4mm以上。具體的管道壁厚選擇應根據工作壓力及管徑查找相關規范和設計手冊。

4 管徑及管材的選擇

壓縮空氣管道系統設計過程管徑和管材的選擇是其中重要的一環，合理地選擇管徑和管材可以在保證供氣品質的前提下有效獲得較好的經濟性。

4.1 壓縮空氣管道管徑的確定

在供氣流量一定的情況下，管徑越小流速高，管道壓力損失越大；相反，管徑越大管道壓力損失越小，能耗損失越小，但大管徑經濟性又較差。如何平衡經濟性就成了管徑選取的重要因素。管徑選擇的方法一般是根據質量流量和設定的平均流速按以下公式經計算確定，再根據工程設計規定的管子系列調整為實際內徑，并以實際內徑和平均流速核算管道壓力損失是否符合要求，如不滿足要求則需重新計算[1]。

式中：qm-工作狀態下的壓縮空氣質量流量，kg/h；qv-工作狀態下的壓縮空氣體積流量，m3/h；v-平均流速，m/s；ρ-工作狀態下壓縮空氣的密度，kg/m3。

壓縮空氣工作狀態下的體積流量qv與標準狀態下的體積流量換算按式（3）計算。

式中：t-工作狀態下壓縮空氣的溫度，℃；P-工作狀態下壓縮空氣的絕對壓力，MPa。

壓縮空氣管道常用流速取值，車間內一般取8～15m/s，廠區一般取8～10m/s。當管道長度較長時取較小值，適當放大管徑；長度較短時取較大值。

4.2 壓縮空氣管道管材的選擇

壓縮空氣系統在長距離輸送過程中，管道材質對氣體品質的影響較大，因此，在進行壓縮空氣系統設計時應針對不同氣體品質要求的系統合理采用不同的管材。某工業園區內的低壓氣管道一般采用焊接鋼管和無縫鋼管。焊接鋼管是采用鋼板卷曲后再焊接成的，生產成本低，生產效率高，但因表面有焊縫，一般情況下強度低于無縫鋼管，承壓能力較低，焊縫處在含油水氣流的長期腐蝕和沖刷下銹皮剝落，影響氣體品質。無縫鋼管分為熱軋管和冷拔管，中空截面，沒有焊縫，承壓能力更好，使用壽命更長。焊接鋼管和無縫鋼管，內壁比較粗糙，容易附著油水及顆粒物，耐腐蝕性較弱，內壁易產生銹皮，因此不適合對氣體品質有較高要求的場合。不銹鋼管道內表面光滑，耐腐蝕性強，適用于對氣體品質有較高要求的場合，因此某工業園區內的高壓氣管道均采用不銹鋼管。工程上主要使用304（06Cr18Ni9）和316（06Cr17Ni12Mo2）不銹鋼，均屬于奧氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼的機械性能和耐腐蝕性能非常好[2]。但不銹鋼管一般不宜用在氯離子含量較高的場合，其中316不銹鋼耐腐蝕能力強于304不銹鋼。奧氏體不銹鋼與碳鋼接觸容易產生滲碳現象，降低抗晶間腐蝕性能[3]，因此，不銹鋼管道不得與碳鋼管道直接連接，不銹鋼管道與碳鋼管道支承件之間也不可以直接接觸，一般采用不銹鋼或氯離子含量不超過50ppm的非金屬墊片進行隔離。

以下列出了不同場合和氣體品質要求的壓縮空氣管道的管材推薦選用表，如表1所示。

表1 壓縮空氣管道管材選用

5 壓縮空氣管道的布置及敷設

壓縮空氣管道的布置方式一般采用支狀管網，也可以采用環狀管網。管道的連接方式一般采用焊接，管道與設備、閥門連接處可采用法蘭或螺紋連接。管道變徑應采用底平齊變徑管，以便于排除油水。壓縮空氣支管與干管應采用“鵝頸”形連接方式，避免主管道中的油水進入支管道中。壓縮空氣管道在設計時要考慮安裝坡度，坡度一般不小于0.002，并在支管末端低點處設置集水器等排油水裝置。

6 壓縮空氣管道系統常見問題分析

6.1 壓縮空氣品質控制

改善氣體品質一般可以通過在空壓機排氣端加裝過濾器、干燥器等凈化裝置進行預處理，并在管道系統低點設置集水管和排水閥，在廠房入戶安裝油水分離器、干燥器等空氣處理裝置。對氣體品質要求較高的用氣點，可以根據工藝需求安裝凈化裝置或冷凍干燥機，形成對壓縮空氣氣源端、輸送端、用戶端的三級凈化處理。同時要加強系統的運行管理，制定合理的巡視、維護計劃，定期更換過濾器濾芯，并確保管道內油水得到及時排放，以確保供氣品質達到使用要求。

某工業園區低壓空氣管道在使用過程中氣體品質不達標，油水含量高。在室外架空管道改為管溝敷設后用戶用氣含水量更甚。經分析，造成該問題的原因包括：①園區低壓空氣系統壓縮機出口端未安裝凈化裝置，直接連接5個儲氣罐，僅定期對儲氣罐排油水作業，無法解決管網輸送過程中產生的凝結水，凈化效果一般；②各廠房入戶端雖然設有油水分離器、干燥瓶等干燥凈化裝置，但在日常管理中，因同一低壓空氣入戶供給多家用戶使用，入戶裝置的權屬不夠明晰，致使排油水操作不能及時有效進行，也導致壓縮空氣出口油水含量超標；③園區低壓空氣管道大都采用焊接鋼管和無縫鋼管，且投入使用已超十年，管道內積存的油泥銹渣較多，對供應的氣體品質也造成了一定影響；④原室外壓縮空氣管道架空敷設，改造后改為管溝敷設，溝內溫度較低，當管溝內溫度低于壓縮空氣露點溫度時，就會產生大量凝結水。管溝內的管道標高降低后又成為系統局部低點，造成大量凝結水淤積，又未在低點處安裝集水管和排水閥，因此，用戶在用氣過程中就出現了上述含水量過大的問題。

6.2 管網泄漏控制

壓縮空氣泄漏是最常見的一種能源浪費。據國內不完全統計平均壓縮空氣的泄漏量占整個壓縮空氣量的30%。一般對于新建系統（少于1年）或小型工廠，泄漏率控制在5%～7%；對于2～5年的系統或中型工廠，泄漏率控制在7%～10%。對于超過10年的系統或大型工廠，泄漏率控制在10%～12%[4]

壓縮空氣的泄漏通常發生在管道接頭、焊縫、快插接頭、調壓器、閥門、排污管、破損的軟管以及銹蝕的管道。壓縮空氣管道發生泄漏通常比較容易發現，漏點處會有很大的噪聲，用手觸摸即可確定漏點的位置。經常性查漏也可采用壓縮空氣泄漏檢測儀器進行檢測，確定漏點。

7 結語

壓縮空氣是工業生產過程中的重要動力源，隨著生產工藝和用氣設備儀器精度的提升，對壓縮空氣品質也提出了更高的要求。同時，壓縮空氣系統對能源的消耗也是巨大的，合理的設計、安裝、維護壓縮空氣管道系統，無論從供氣品質的控制上，還是從節能降耗的經濟性上來說，都具有重要意義。